DE112022002427T5

DE112022002427T5 - Fotodetektor und Verfahren zum Bilden davon

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Publication number: DE112022002427T5
Application number: DE112022002427.5T
Authority: DE
Inventors: Thomas James Badcock; Ivor Guiney
Original assignee: Paragraf Ltd
Current assignee: Paragraf Ltd
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2022229283A1

Abstract

Es wird ein Fotodetektor bereitgestellt, umfassend: ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen; eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche; eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und mindestens zwei ohmsche Kontakte, die jeweils in Kontakt mit der Graphenschicht bereitgestellt und auf beiden Seiten des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet sind; wobei die erste Isolierschicht Siliziumnitrid und/oder ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung stellt einen Fotodetektor und ein Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors bereit. Insbesondere umfasst der Fotodetektor eine Graphenschicht, die auf einer ersten Isolierschicht angeordnet ist, die Siliziumnitrid und/oder ein Oxid eines oder mehrerer von Aluminium, Hafnium und Magnesium umfasst. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors bereit, umfassend eine solche Graphenschicht, insbesondere Verfahren, die das Bilden einer Siliziumnitridschicht durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung umfassen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System, das einen Fotodetektor und einen elektrooptischen Modulator umfasst, insbesondere wobei der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einstückig auf einem Substrat ausgebildet sind.
Zweidimensionale Materialien, von denen Graphen eines der bekanntesten ist, stehen derzeit im Mittelpunkt intensiver Forschung. Insbesondere Graphen hat sowohl theoretisch als auch in den letzten Jahren praktisch außergewöhnliche Eigenschaften gezeigt. Die elektronischen Eigenschaften von Graphen sind besonders bemerkenswert und haben die Produktion von elektronischen Geräten ermöglicht, die im Vergleich zu Geräten, die nicht auf Graphen basieren, wesentlich besser sind. Graphen weist auch einzigartige optische Eigenschaften auf, sodass Graphen in elektrooptischen Vorrichtungen wie elektrooptischen Modulatoren verwendet wurde. Ein elektrooptischer Modulator (EOM) ist eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um die Leistung oder Amplitude, Phase, Frequenz oder die Polarisation von Licht mit einem elektrischen Steuersignal zu steuern. Das Wirkprinzip basiert auf der elektrooptischen Wirkung, wobei es sich um die Modifikation des Brechungsindex eines Mediums handelt, die durch ein elektrisches Feld verursacht wird.
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 23(1), 94-100 (2017) „Graphene Modulators and Switches Integrated on Silicon and Silicon Nitride Waveguide“ offenbart elektrooptische Modulatoren, umfassend Einzelschicht-Graphen-Konfigurationen (SLG-Konfigurationen) und Doppelschicht-Graphen-Konfigurationen (DLG-Konfigurationen). Nanoscale Research Letters (2015) 10:199 „Graphene-based optical modulators“ stellt eine Nanoprüfung von graphenbasierten elektrooptischen Modulatoren und ihre Funktionsmechanismen bereit. J. Phys. D: Appl. Phys. 53:233002 (2020) „Review of graphene modulators from the low to the high figure of merits“ stellt eine aktuellere Durchsicht und einen umfassenden Überblick der im Stand der Technik bekannten Graphenmodulatoren dar. Graphen wurde bei elektrooptischen Modulatoren verwendet, wodurch die Modulation durch aktives Abstimmen des Fermi-Niveaus einer einschichtigen Graphenfolie und damit ihre Transparenz erreicht wird.
Nature 474(7349), 64-67 (2011) „A graphene-based broadband optical modulator" offenbart einen Gigahertz-Graphen-Modulator mit einer Elektroabsorptionsmodulation von 0,1 dB µm^-1 die über Wellenlängen von 1,35 µm bis 1,6 µm unter Umgebungsbedingungen arbeitet. Der starke Elektroabsorptionseffekt stammt aus der einzigartigen elektronischen Struktur des zweidimensionalen Materials. Graphen wird durch mechanische Übertragung auf einen Si-Wellenleiter in die Vorrichtung eingeführt. Die US 2014/056551 A1 bezieht sich auf denselben Gegenstand und hat die gleichen Erfinder und Autoren.
In ähnlicher Weise offenbaren Nat. Photon. 9(8), 511-514 (2015) 30 „GHz Zeno-based Graphene Electro-optic Modulator" und Nanophotonics 10(1), 99-104 (2021) „Highperformance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature" Graphen-EOMs, die einen Zweischicht-Graphenkondensator umfassen, der mit einem Siliziumnitridwellenleiter integriert ist, wobei die Graphenfolien durch eine Aluminiumoxidschicht getrennt sind. Das Graphen ist auf einem Kupfersubstrat CVDgewachsen und wird durch elektrochemische Delaminierung übertragen. Die WO 2016/073995 A1 bezieht sich auf denselben Gegenstand und hat die gleichen Erfinder und Autoren.
ACS Nano 15, 3171-3187 (2021) „Wafer-Scale Integration of Graphene-Based Photonic Devices" offenbart einen vollständigen Prozessfluss für SLG-basierte Photonik im Wafer-Maßstab.
Graphen bietet weitere Vorteile als ein mit CMOS-Prozessen kompatibles Material. Dementsprechend weist Graphen das Potenzial auf, um die Vorrichtungsgrundfläche über siliziumbasierte photonische Vorrichtungen zu reduzieren und in bestehende siliziumbasierte elektronische Fertigungsprozesse integriert werden zu können. Es besteht jedoch ein Bedarf an photonischen Vorrichtungen wie elektrooptischen Modulatoren und Fotodetektoren, die das Potenzial von Graphen liefern können, um handelsübliche photonische Vorrichtungen bereitzustellen. Ebenso besteht ein Bedarf an geeigneten Verfahren, die solche Vorrichtungen mit ausreichender Konsistenz und Zuverlässigkeit für die Herstellung handelsüblicher Vorrichtungen fertigen können. Graphen-Übertragungsprozesse erfüllen diese strenge Anforderung nicht und sind dennoch nicht für den Maßstab der Massenherstellung von graphenbasierten Vorrichtungen geeignet.
Die EP 2-584-397 A1 offenbart einen optischen Elektroabsorptionsmodulator, der zwei Graphenfolien und einen auf der oberen Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildeten Steglichtwellenleiter einschließt. Der Graphen-Übertragungsprozess ermöglicht das Aufbringen von Graphen über den Steglichtwellenleiter, wodurch die Wellenleiteroberfläche und eine Seitenoberfläche abgedeckt werden.
US 10,775,651 B2 offenbart optische Modulatoren mit Doppelschicht-Graphen und Verfahren zur Fertigung davon. Die Vorrichtung schließt ein Substrat, ein erstes elektrisch isolierendes Material, das über dem Substrat angeordnet ist, eine erste Graphenschicht und eine zweite Graphenschicht, die in dem ersten elektrisch isolierenden Material angeordnet ist und durch das erste elektrisch isolierende Material getrennt ist, ein. Ein Wellenleiter ist auf dem ersten elektrisch isolierenden Material angeordnet, wobei der Wellenleiter sowohl die erste als auch die zweite Graphenschicht überlagert.
ACSNano 6(5), 3677-3694 (2012) „Graphene Photonics, Plasmonics, and Broadband Optoelectronic Devices“ stellt eine Überprüfung der Graphenphotonik bereit.
Nature Review Materials 3, 392-414 (2018) „Graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom“ stellt eine Prüfung von integrierter Si-Photonik bereit und offenbart wellenleiterintegrierte Fotodetektoren.
ACS Photonics 1, 781-784 (2014) „50 GBit/s Photodetectors Based on Wafer-Scale Graphene for
Integrated Silicon Photonic Communication Systems" offenbart einen wellenleiterintegrierten Graphen-Fotodetektor, bei dem Graphen durch CVD auf Kupferfolie wächst und auf eine HSQ-Mantelschicht übertragen wird, die über einem Si-Wellenleiter liegt.
WO 2014/089454 A2 bezieht sich auf Systeme und Verfahren für Graphen-Fotodetektoren.
US 2014/103213 A1 bezieht sich auf einen chemischen Sensor, der mindestens ein Lichtleitungselement mit einem optischen Kern einschließt, wobei das Lichtleitungselement eine Schicht aus Graphen umfasst, die sich in ausreichender Nähe zum Kern befindet, um eine eVaneszente Wellenabsorption von optischer Energie in mindestens einem optischen Modus aufzuweisen, der in den Kern geleitet wird.
US 2013/026442 A1 offenbart einen Fotodetektor, der einschließt: ein Substrat; ein erstes dielektrisches Material, das auf dem Substrat positioniert ist; einen Lichtwellenleiter, der auf dem ersten dielektrischen Material positioniert ist; ein zweites dielektrisches Material, das auf dem optischen Wellenleiter positioniert ist; eine Graphenschicht, die auf dem zweiten dielektrischen Material positioniert ist; und eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die auf der Graphenschicht positioniert sind.
US 2020/124795 A1 bezieht sich auf photonische Schaltungen, insbesondere auf photonische Schaltungen, bei denen Licht zwischen den optischen Wellenleiter übertragen wird, die mit photonischen Vorrichtungen gekoppelt sind.
Die vorliegende Erfindung fällt im Allgemeinen in das Gebiet der photonischen integrierten Schaltungen (PICs), die auch als integrierte optische Schaltungen bezeichnet werden. Trotz des Potenzials für Graphen, um viele Felder einschließlich integrierter Photonik zu revolutionieren, stellt der Stand der Technik keine zuverlässigen Verfahren und/oder Vorrichtungen bereit, die in der Lage sind, die einzigartigen Eigenschaften von Graphen zu liefern, insbesondere für die Massenfertigung solcher elektronischer Vorrichtungen.
Die Erfinder entwickelten die vorliegende Erfindung mit dem Ziel, die Probleme im Stand der Technik zu überwinden und verbesserte graphenbasierte Photonik, einschließlich Fotodetektoren und elektrooptischer Modulatoren und zugehörige Herstellungsverfahren bereitzustellen, oder mindestens handelsübliche Alternativen bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung einen Fotodetektor bereit, umfassend:

ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen,
eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche;
eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und
mindestens zwei ohmsche Kontakte, die jeweils in Kontakt mit der Graphenschicht bereitgestellt und auf beiden Seiten des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet sind;
wobei die erste Isolierschicht Siliziumnitrid und/oder ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium umfasst.

Die vorliegende Offenbarung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Aspekte/Ausführungsformen der Offenbarung näher definiert. Jede(r) somit definierte Aspekt/Ausführungsform kann mit jedem/jeder/allen anderen Aspekt/Ausführungsform oder Aspekten/Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere kann jedes als bevorzugt oder vorteilhaft angegebene Merkmal mit jedem/allen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft angegebenen Merkmal/ Merkmalen kombiniert werden.
In einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors bereit, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal;
Füllen des ersten Kanals mit SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertem Silizium;
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD;
mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um eine erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Strukturieren der Graphen-Monoschicht; und
Bilden von mindestens zwei ohmschen Kontakten, die jeweils mit der strukturierten Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind.

In einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung auch ein System bereit, das einen Fotodetektor und einen elektrooptischen Modulator wie hierin beschrieben umfasst. Insbesondere ein System zur optischen Übertragung von Daten, wobei das System einen Fotodetektor, einen elektrooptischen Modulator und eine Lichtquelle umfasst, wobei der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einen gemeinsamen Wellenleiter teilen und wobei die Lichtquelle konfiguriert ist, um Licht entlang des Wellenleiters zu leiten, und/oder wobei der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator ein gemeinsames Substrat teilen. Die vorliegende Offenbarung wird weiter unter Bezugnahme auf Fotodetektoren und elektrooptische Modulatoren und ein System beschrieben. Wie hierin beschrieben, kann der Fotodetektor gleichzeitig mit einem elektrooptischen Modulator auf einem Substrat einstückig ausgebildet werden, wobei die zwei Vorrichtungen aus denselben Schichten gebildet sind, die entsprechend strukturiert wurden und ein gemeinsames Substrat und einen gemeinsamen Wellenleiter teilen. Der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann als ein wellenleiterintegrierter Graphen-Fotodetektor bezeichnet werden. Diese Vorrichtungen können hierin als photonische Vorrichtungen bezeichnet werden.
In einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Systems für die optische Übertragung von Daten bereit, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal;
Füllen des ersten Kanals mit SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertem Silizium;
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD;
mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um eine erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Strukturieren der Graphenschicht, um einen Detektorabschnitt und einen separaten Modulatorabschnitt zu bilden, die jeweils über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet sind;
Bilden von mindestens zwei ohmschen Detektorkontakten, die mit dem Detektorabschnitt der Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind, um den Fotodetektor zu bilden;
Bilden von mindestens einem ohmschen Modulatorkontakt, der mit dem Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht in Kontakt steht und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet ist, um den Modulator zu bilden;
Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf und über mindestens den Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht, um mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen einer, vorzugsweise nicht aus Graphen, Elektrode auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, um den elektrooptischen Modulator zu bilden.

Fotodetektor
In der gesamten Beschreibung wird der Begriff „Detektor“ synonym mit „Fotodetektor“ verwendet.
Graphen in bekannten Fotodetektoren wird durch bekannte mechanische Übertragungsprozesse bereitgestellt. Die vorliegenden Erfinder haben den vorliegenden Fotodetektor entwickelt, der Graphen umfasst, das durch CVD erhältlich ist, weshalb die mit durch übertragenes Graphen (wie Kupfer- und Polymerkontamination zusammen mit physischen Schäden wie Reißen und Knitterbildung) Nachteile nicht entstehen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben versucht, qualitativ hochwertiges Graphen direkt durch CVD einzuführen, aber haben Probleme entdeckt, die mit einem solchen Verfahren verbunden sind. CVD-Graphen kann einen reduzierten Kontakt und Folienwiderstand bereitstellen, wodurch der Energieverbrauch verringert wird. Die reduzierten Verunreinigungen können gleichzeitig eine verbesserte Trägermobilität ergeben, die die Geschwindigkeit der Vorrichtung erhöht.
Der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial. Das Substrat mit einem eingebetteten Wellenleitermaterial kann jedes Substrat sein, das einen Wellenleiter umfasst, wie im Stand der Technik bekannt. Mit „eingebettet“ ist gemeint, dass das Wellenleitermaterial einen Teil des Körpers des Substrats bildet und einen Teil einer im Wesentlichen flachen oberen Oberfläche bildet, einem herkömmlichen Begriff im Stand der Technik im Gegensatz zu erhabenen Wellenleitern. Im Stand der Technik kann das umgebende Medium des Substrats als „Mantel/Cladding/Ummantelung“ bezeichnet werden, der/die/das verwendet wird, um das Licht in dem Wellenleiter zu begrenzen. Wellenleiter und Wellenleitermaterialien sind im Stand der Technik gut bekannt und bilden das Grundelement vieler integrierter optischer Vorrichtungen. Ein Wellenleiter ist in der Regel in Form eines Kanals mit Dimensionen, die ausreichen, um Licht in zwei Dimensionen zu begrenzen. Dementsprechend ist ein Querschnitt senkrecht zu der dritten Dimension (d. h. der Lichtrichtung) eines eingebetteten Wellenleiters in der Regel im Wesentlichen rechteckig, obwohl zu erkennen ist, dass der Wellenleiterkanal jede andere im Stand der Technik bekannte Form annehmen kann und/oder Teil einer größeren Struktur sein kann (wie ein kreisförmiger Ringresonator, in welchem Fall die Richtung des Lichtwegs als Tangente angenommen werden kann). In ähnlicher Weise kann der Wellenleiter abzweigen oder Kanäle können sich kreuzen und gekrümmte oder gebogene Strukturen aufweisen und als nanophotonische Drähte betrachtet werden. Wellenleiter können für die Strahlteilung verzweigt und zum Schneiden überkreuzt werden.
Vorzugsweise beträgt das Breiten-Höhen-Verhältnis des Wellenleitermaterials 1,5:1 bis 10:1. Vorzugsweise beträgt die Querschnittshöhe des eingebetteten Wellenleitermaterials (eine Dimension, die im Wesentlichen senkrecht zur Graphenschicht ist) mindestens 100 nm, vorzugsweise mindestens 200 nm. Die Höhe kann weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 400 nm, wie von 100 nm bis 500 nm, vorzugsweise von 200 nm bis 400 nm, betragen. Die Breite (eine Dimension, die im Wesentlichen parallel zur Graphenschicht und senkrecht zur Lichtrichtung verläuft) kann mindestens 150 nm, vorzugsweise mindestens 300 nm, vorzugsweise mindestens 500 nm, betragen. Die Breite kann weniger als 1500 nm, vorzugsweise weniger als 1200 nm, betragen. Siliziumnitrid ist ein bevorzugtes Wellenleitermaterial, wie hierin beschrieben, das im Allgemeinen einen geringeren Streuverlust im Vergleich zu anderen Wellenleitermaterialien aufweist und daher vorzugsweise breiter sein kann. Das Breiten-Höhen-Verhältnis für einen Siliziumnitridwellenleiter kann vorzugsweise von 3:1 bis 10:1 betragen, während das Verhältnis für einen Siliziumwellenleiter vorzugsweise von 1,5:1 bis 5:1 betragen kann.
Es versteht sich, dass das Wellenleitermaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Substratmaterial, in dem es eingebettet ist. Ein gemeinsames Substrat, das zur Verwendung in dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, ist ein Siliziumdioxid-Substrat. Das Siliziumdioxid kann eine obere Schicht auf einem Siliziumgrundsubstrat bilden, wobei das Wellenleitermaterial in das Siliziumdioxid eingebettet ist. Vorzugsweise kann das Substrat ein CMOS-Wafer sein, der eine zugehörige Schaltlogik aufweisen kann, die innerhalb des Substrats eingebettet ist. Dementsprechend kann das Substrat des vorliegenden Fotodetektors entweder einen Siliziumwafer oder einen CMOS-Wafer umfassen. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat III/V-Halbleitermaterialien umfassen.
Vorzugsweise ist das Wellenleitermaterial Siliziumnitrid, unbeabsichtigt dotiertes Silizium oder n-dotiertes Silizium. Vorzugsweise ist das Wellenleitermaterial des Fotodetektors Siliziumnitrid oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium. Wie hierin verwendet bezieht sich Siliziumnitrid gleichfalls auf SiN_x, das im Stand der Technik gut bekannt ist, und schließt das idealisierte stöchiometrische Verhältnis ein, wobei x 1,33 (d. h. Si₃N₄) beträgt. Siliziumreiche Schichten, bei denen x nur 0,5 beträgt, sind im Stand der Technik noch als Siliziumnitrid bekannt. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium soll sich auf im Wesentlichen undotiertes Silizium beziehen, obwohl das Silizium eine unvermeidbare oder minimale Dotierung aufweisen kann. Die intrinsische Ladungsträgerdichte von Silizium beträgt in der Regel etwa 10¹⁰ cm^-3 und dotiertes Silizium weist in der Regel eine Ladungsträgerdichte von etwa 10¹³ cm^-3 oder mehr und/oder etwa 10²⁰ cm^-3 oder weniger, etwa 5 × 10¹⁹ cm^-3 oder weniger, oder etwa 10¹⁹ cm^-3 oder weniger, auf. N-Dotierungselemente sind in der Regel ausgewählt aus Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut und Lithium, obwohl andere Elemente Germanium, Stickstoff, Gold und Platin einschließen. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium kann daher als Bereich von etwa 10¹⁰ cm^-3 bis etwa 10¹³ cm^-3, vorzugsweise etwa 10¹⁰ bis etwa 10¹² cm ^-3 betrachtet werden.
Andere geeignete Wellenleitermaterialien sind im Stand der Technik bekannt und schließen Materialien wie Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtanalat (LiTaO₃) und Bariumtitanat (BaTiO₃) zusammen mit Kaliumtitanylarsenat (KTA: KTiOAsO₄) und Kaliumtitanylphosphat (KTP: KTiOPO₄) ein, die im Allgemeinen unter die Formel MTiOXO₄ fallen, wobei M ein Alkalimetall oder Ammoniak ist und X Phosphor und/oder Arsen ist. Gleichermaßen kann das Substrat (als Ummantelung) aus jedem geeigneten Material mit niedrigem Brechungsindex gebildet sein, das die vorstehend genannten Materialien einschließt, die angemessen dotiert wurden, wie mit MgO oder ZnO. Alternativ kann das Substrat (die Ummantelung) MgO oder ZnO oder SiO₂ sein, wie vorstehend erörtert. Gleichermaßen kann das Substrat weitere darunter liegende Schichten wie Silizium umfassen, auf denen der Wellenleiter und die Ummantelung bereitgestellt sind. Andere gemeinsame Wellenleitermaterialien schließen III-V-Halbleiter ein, wie solche, die Indiumarsenid und/oder Galliumphosphid wie InGaAsP und AlInGaAs umfassen. Germanium ist auch ein geeignetes Wellenleitermaterial.
Der Fotodetektor weist eine erste Isolierschicht auf und über die im Wesentlichen flache obere Oberfläche des eingebetteten Wellenleitersubstrats auf. Wie hierin beschrieben, bedeutet „auf“ direkt auf, sodass die erste Isolierschicht des Fotodetektors in direktem Kontakt mit der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleitermaterials steht. Die im Wesentlichen flache obere Oberfläche weist vorzugsweise eine arithmetische Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als 2 nm, vorzugsweise weniger als 1 nm, mehr bevorzugt weniger als 0,5 nm und noch mehr bevorzugt weniger als 0,25 nm auf. Eine solche glatte Oberfläche ermöglicht, dass qualitativ hochwertiges Graphen durch CVD direkt darauf gebildet wird, das selbst im Wesentlichen flach ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass Knitter und andere Defekte in der Graphenschicht zu einer Verschlechterung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen führen, zum Beispiel durch Ladungsstreuung. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Ladungsstreuung negativ auf die Vorrichtungsleistung wirkt, wie die Ladungstrenneffizienz (d. h. die Erzeugung eines Fotostroms), die Modulationseffizienz und das Extinktionsverhältnis und verbesserte Vorrichtungen werden daher erhalten, indem Graphen direkt auf der ersten Isolierschicht durch CVD bereitgestellt wird.
Die Isolierschicht ist elektrisch isolierend. Solche Materialien sind im Stand der Technik gut bekannt und weisen vorzugsweise eine Leitfähigkeit auf, die bei Raumtemperatur (22°C) mit weniger als 10^-5S/cm, vorzugsweise weniger als 10^-6 S/cm gemessen wird. Alternativ kann dies in Bezug auf die Materialbandlücke gemessen werden; Silizium weist eine Bandlücke von etwa 1,1 eV bis etwa 1,6 eV auf, während die eines Isolators viel größer ist, in der Regel größer als 3 eV, vorzugsweise größer als 4 eV.
Die Dicke der ersten Isolierschicht beträgt vorzugsweise von etwa 1 nm bis etwa 100 nm, vorzugsweise von etwa 2 nm bis etwa 50 nm, mehr bevorzugt von etwa 3 nm bis etwa 50 nm und noch mehr bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 30 nm. Dementsprechend kann die erste Isolierschicht eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, um die Anspritzeffizienz zu verbessern (d. h. die sogenannten „High-k-Dielektrika“, wie die hierin beschriebenen Materialien, umfassen oder vorzugsweise daraus bestehen). Die Dielektrizitätskonstante (k) der Isolierschicht kann größer als 2, vorzugsweise größer als 3 und noch mehr bevorzugt größer als 4 sein (wenn bei 1 kHz bei Raumtemperatur gemessen). Die Dielektrizitätskonstante kann viel größer sein, wie größer als 10. Zum Beispiel kann k etwa 16 betragen.
Vorzugsweise umfasst die erste Isolierschicht mehr als eine Schicht aus unterschiedlichen Isoliermaterialien. Dementsprechend kann ein geeignetes Isoliermaterial auf der oberen Oberfläche des Substrats und der Wellenleiter gebildet werden, während bevorzugte Materialien für das Graphenwachstum darauf gebildet werden können. Dementsprechend umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die erste Isolierschicht eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht auf der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleiters, vorzugsweise Siliziumnitrid. Wie hierin beschrieben, kann SiN_x durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) gebildet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der eingebettete Wellenleiter auch Siliziumnitrid.
Es ist auch bevorzugt, dass die erste Isolierschicht eine Metalloxidschicht umfasst oder daraus besteht. Die Schicht kann eines oder mehrere der Metalloxide Al₂O₃, HfO₂, MgO, MgAl₂O₄, ZnO, Ga₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, YAlO₃, Ta₂O₅, LiNbO₃, Y₂O₃, Y-stabilisiertes ZrO₂ (YSZ), ZrO₂, Y₃Al₅O₁₂ (YAG) sein. Die erste Isolierschicht kann CaF₂ umfassen oder daraus bestehen. Noch mehr bevorzugt umfasst die erste Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid.
Vorzugsweise wird die Metalloxidschicht auf der Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht wie vorstehend beschrieben bereitgestellt, um eine Isolierschicht zu bilden, die mehr als eine Schicht umfasst. Die Metalloxidschicht stellt eine obere Oberfläche bereit, auf der dann Graphen bereitgestellt wird, vorzugsweise durch CVD gewachsen, wie hierin beschrieben. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wellenleiterstruktur nach dem Graphenwachstum bei den relativ hohen Temperaturen, die für CVD erforderlich sind, intakt bleibt, wobei der Wellenleiter seine scharfen/glatten Schnittstellen beibehält. Dementsprechend erfordert der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung eine flache Oberfläche, auf der Graphen bereitgestellt werden kann, um sich über und oberhalb des Wellenleitermaterials zu erstrecken (im Gegensatz zu Stegwellenleitern kann das übertragene Graphen in der Technik über die Seiten des vorstehenden Stegs des Wellenleitermaterials gefaltet werden). Das im Wesentlichen flache Graphen, das durch CVD erhältlich ist, ist von besonders hoher Qualität, sodass die vorteilhaften Vorteile in Verbindung mit dem Zweimaterial in der endgültigen Vorrichtung beibehalten werden können. Insbesondere ist das zweidimensionale Material ein Halbmetall, dessen Dichte an dem Fermi-Niveau aufgrund seiner elektronischen Struktur in Form von zwei Kegeln, die sich am sogenannten Dirac-Punkt treffen, im Wesentlichen null ist. In der Nähe des Dirac-Punktes können Ladungsträger als massive Fermionen und in reinem Graphen modelliert werden, Elektronen können durch einfallende Photonen mit einem breiten Bereich von Energien angeregt werden, in denen nur Zwischenbandübergänge zulässig sind. Die Durchlässigkeit von reinem Graphen ist im Wesentlichen frequenzunabhängig, was zu einer konstanten Absorption von etwa 2,3 % pro einzelne Monoschicht führt. Dementsprechend kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung über ein breites Spektrum von Wellenlängen arbeiten, die vorzugsweise von sichtbaren bis mittleren IR-Wellenlängen betrieben werden, wie im Stand der Technik üblich.
Vorzugsweise dient die Vorrichtung zur Detektion von Licht von mindestens 300 nm bis zu 8000 nm, vorzugsweise von 500 nm bis zu 4000 nm, vorzugsweise von 1000 nm bis 2000 nm, am meisten bevorzugt von 1250 nm bis 1600 nm. In einer Ausführungsform sind die Telekommunikationswellenlängen von 1500 nm bis 1600 nm bevorzugt. Dieser Bereich von etwa 1550 nm ist die sogenannte „lange Wellenlänge“ für die Glasfaserübertragung, die in der Regel für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und höherer Bandbreite verwendet wird. Der sogenannte „kurze Wellenlänge“-Übertragungsbereich beträgt vorzugsweise von 800 bis 900 nm (d. h. etwa 850 nm und in der Regel optische Multimodenfasern) zusammen mit von 1250 nm bis 1350 nm (d. h. etwa 1300 nm) in anderen bevorzugten Ausführungsformen. In der Regel werden Einzel-Modenfasern in der Telekommunikation verwendet, die bei den höheren Wellenlängen von 1300 nm und 1550 nm arbeiten.
Es versteht sich, dass ein Wellenleitermaterial mit geeigneter Transparenz für den Betrieb bei den gewünschten Wellenlängen ausgewählt werden muss. Beispielhaft ist Silizium für Licht über etwa 1,1 µm bis zu etwa 8 µm transparent. Lithiumniobat ist von etwa 250 nm bis etwa 4 µm und Siliziumnitrid von etwa 250 nm bis etwa 8 µm transparent. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Wellenleitermaterial für Licht über den Bereich von 1250 nm bis 1600 nm und wie vorstehend erörtert transparent ist, SiN_x, n-dotiertes Silizium oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium sind geeignete bevorzugte Beispiele.
Der Fotodetektor umfasst eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet ist. Die Graphenschicht kann strukturiert sein, wie durch Laser- oder Plasmaätzen, wie im Stand der Technik bekannt. Das Graphen ist derart strukturiert, dass sich die Graphenschicht direkt über die gesamte Breite des darunter liegenden Wellenleiters erstreckt. Mit anderen Worten sitzt der Wellenleiterkanal in einer Position, die sich in einer Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen Graphenschicht befindet. Der erste Abschnitt bezieht sich auf einen Bruchteil der Breite des Wellenleiterkanals. Es versteht sich, dass sich das Graphen nur über einen Abschnitt der gesamten Länge des Wellenleiterkanals erstrecken kann, der in das darunter liegende Substrat eingebettet ist. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Graphenschicht über mehrere Abschnitte der Länge des Wellenleiterkanals, wodurch eine riffelartige Struktur bereitstellt wird. Die Länge des Wellenleitermaterials, über das sich das Graphen erstreckt (d. h. mindestens in jedem einzelnen kontinuierlichen Abschnitt und/oder als Summe mehrerer Abschnitte), kann mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 30 µm, mehr bevorzugt mindestens 50 µm, noch mehr bevorzugt mindestens 100 µm und/oder höchstens 1 cm, vorzugsweise höchstens 1 mm, mehr bevorzugt höchstens 500 µm, noch mehr bevorzugt höchstens 250 µm betragen. Es gibt keine spezifische Obergrenze, da mit abnehmender Rückkehr bei größeren Längen eine größere Absorption erreicht wird; es ist allgemein bevorzugt, dass Vorrichtungen möglichst klein sind. Dementsprechend ist es in einigen Ausführungsformen bevorzugt, dass die Länge höchstens 100 µm, vorzugsweise höchstens 75 µm und mehr bevorzugt höchstens 50 µm beträgt.
Es ist in der Fachwelt bekannt, dass Graphen direkt auf nicht-metallischen Oberflächen von Substraten synthetisiert, hergestellt und gebildet werden kann. Dazu gehören Silizium und Saphir zusammen mit anderen exotischen Oberflächen wie III-V-Halbleitern. Die vorliegenden Erfinder stellten fest, dass das effektivste Verfahren zum Herstellen von hochwertigem Graphen, insbesondere direkt auf solchen nicht-metallischen Oberflächen, das in WO 2017/029470 offenbarte ist und hierin ausführlicher beschrieben ist. Das Verfahren von WO 2017/029470 wird idealerweise unter Verwendung eines MOCVD-Reaktors durchgeführt. MOCVD steht zwar für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, da sie ursprünglich zur Herstellung von Halbleitermaterialien wie AlN und GaN aus metallorganischen Vorläufern wie AlMe₃ (TMA1) und GaMe₃ (TMGa) diente, doch sind solche Vorrichtungen und Reaktoren auch für nichtmetallorganische Vorläufer geeignet, wie Fachleuten bekannt ist. MOCVD kann synonym mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet werden.
Graphen ist ein sehr bekanntes zweidimensionales Material, das sich auf ein Allotrop von Kohlenstoff bezieht, das eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter umfasst. Graphen und Graphenschicht, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine oder mehrere Schichten aus Graphen. Vorzugsweise ist die Graphenschicht eine Graphen-Monoschicht, die auch als einschichtige Graphenfolie bezeichnet werden kann. Für andere Anwendungen kann jedoch mehrschichtiges Graphen verwendet werden, wobei 2 oder 3 Graphenschichten bevorzugt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Graphen dotiert sein (n- oder p-Typ), wie im Stand der Technik bekannt. Verfahren zum Bilden von dotiertem Graphen sind auch in WO 2017/029470 beschrieben. Dotiertes Graphen kann vorzugsweise eine Ladungsträgerdichte von bis zu 10¹³ cm^-2 aufweisen, vorzugsweise bis zu 5 × 10¹² cm^-2.
Der Fotodetektor umfasst vorzugsweise ferner eine zweite Isolierschicht auf und über die Graphenschicht. Wenn das Graphen strukturiert wurde, wodurch die erste Isolierschicht freigelegt wird, befindet sich die zweite Isolierschicht auch auf den freigelegten Abschnitten der ersten Isolierschicht, wodurch die Graphenschicht im Wesentlichen durch Isolatormaterial verkapselt wird. Dadurch wird die Graphenschicht vor atmosphärischer Kontamination geschützt, die anderenfalls eine unerwünschte Drift in der Ladungsträgerdichte und dem Fermi-Niveau der Graphenschicht herbeiführen würde. Dementsprechend wird der Betrieb des Fotodetektors durch eine solche atmosphärische Kontamination beeinträchtigt. Wie hierin beschrieben, können ein oder mehrere Abschnitte geätzt oder anderweitig entfernt werden, um die Bildung der ohmschen Kontakte an der Graphenschicht zu ermöglichen. Alternativ können die ohmschen Kontakte vor einer zweiten Isolierschicht abgeschieden werden.
Die hierin beschriebenen Materialien für die erste Isolierschicht können gleichermaßen für die zweite Isolierschicht verwendet werden. In ähnlicher Weise ist die Dicke wie für die erste Isolierschicht beschrieben und beträgt vorzugsweise weniger als 100 nm.
Vorzugsweise umfasst die zweite Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium. Vorzugsweise ist das Oxid Aluminiumoxid oder Hafniumoxid. Es ist auch bevorzugt, dass die zweite Isolierschicht aus dem gleichen Material wie die obere Schicht der ersten Isolierschicht gebildet ist. Wie hierin beschrieben, kann eine solche Schicht durch ein Verfahren wie ALD gebildet werden, das besonders geeignet ist, um direkt auf Graphen zu wachsen, ohne dass die Graphenschicht unbeabsichtigt dotiert oder beschädigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fotodetektor ferner einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial parallel zu und ausgerichtet über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial. Die Ausrichtung des zweiten Kanals über dem ersten Kanal verbessert die Fotodetektionseffizienz durch die einzelne Graphenschicht weiter. Vorzugsweise sind die Querschnittsabmessungen des zweiten Wellenleiters im Wesentlichen gleich dem ersten Wellenleiter.
Der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial kann direkt auf der Graphenschicht bereitgestellt werden. Vorzugsweise umfasst der Fotodetektor eine zweite Isolierschicht, die das Graphen während der Abscheidung des Wellenleitermaterials schützt und der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial ist vorzugsweise auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt. Es versteht sich, dass sich der zweite Kanal parallel zu dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial und über das „aktiven Gebiet“ hinaus erstreckt, das die Graphenschicht umfasst. Dementsprechend wird der zweite Kanal auch auf der zweiten Isolierschicht in Abschnitten bereitgestellt, wobei der erste Kanal aus Wellenleitermaterial nicht direkt unter einer Graphenschicht liegt.
Der Fotodetektor umfasst ferner mindestens zwei ohmsche Kontakte. Jeder der mindestens zwei ohmschen Kontakte steht mit der Graphenschicht in Kontakt. Die ohmschen Kontakte können auf der Graphenschicht bereitgestellt werden und/oder eine Kante der Graphenschicht berühren, wodurch sie sich auch auf der darunter liegenden ersten Isolierschicht befinden. Die zwei Kontakte sind auf beiden Seiten des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet. Die Kontakte werden daher in einer Richtung, die ausreichend senkrecht zur Ausbreitung von Licht durch den Wellenleiter (auf einer Ebene mit der Graphenschicht) ist, in Kontakt mit der Graphenschicht bereitgestellt, wodurch sie sich auf beiden Seiten des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial befindet.
In einigen Ausführungsformen werden die Kontakte mindestens 300 nm von dem Wellenleiter entfernt bereitgestellt, vorzugsweise mindestens 500 nm. Vorzugsweise sind die ohmschen Kontakte Metallkontakte, vorzugsweise ausgewählt aus einem oder mehreren von Titan, Nickel, Chrom, Platin, Palladium und Aluminium. Besonders bevorzugte Kontakte sind Ti/Al und Ni/Al. Vorzugsweise umfassen die Kontakte kein Gold.
In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Kontakte asymmetrisch. Die Asymmetrie der ohmschen Kontakte erleichtert die Sammlung der Ladungsträger, d. h. ein Elektronenlochpaar, das bei Absorption eines Photons erzeugt wird, das einen Fotostrom erzeugt. Dementsprechend kann in einer Ausführungsform der erste Kontakt vorzugsweise aus einem anderen Metall als der zweite Kontakt gebildet sein. Das heißt, die Arbeitsfunktion des ersten Kontakts kann sich von der Arbeitsfunktion des zweiten Kontakts unterscheiden. Beispielsweise kann ein erster ohmscher Kontakt Ti/Al und der zweite ohmsche Kontakt Ni/Al sein, oder der erste und der zweite Kontakt können Ti bzw. Pd sein.
Alternativ weisen ein erster und zweiter der mindestens zwei ohmschen Kontakte vorzugsweise unterschiedliche Abstände in der Ebene des Substrats von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial auf. Das heißt, der Abstand (die Trennung oder Entfernung) des ersten ohmschen Kontakts von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial unterscheidet sich von dem Abstand des zweiten ohmschen Kontakts von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial. Es versteht sich, dass der Abstand in der Ebene des Substrats (d. h. der Ebene der Graphenschicht) derart gemessen wird, dass die ohmschen Kontakte asymmetrisch um den ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Trennung des ersten ohmschen Kontakts von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial 1,1-mal größer als die Trennung des zweiten ohmschen Kontakts von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, vorzugsweise mindestens 1,2-mal größer, mehr bevorzugt mindestens 1,5-mal größer und am meisten bevorzugt mindestens 2-mal größer.
In Ausführungsformen, in denen die Kontakte symmetrisch sind, kann der Fotodetektor einen oder mehrere Gate-Kontakte umfassen, die bei Verwendung verwendet werden können, um eine externe Gate-Spannung anzulegen, um ein elektrisches Feld bereitzustellen, um eine Ladungstrennung und die Erzeugung eines Fotostroms zu ermöglichen.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine Schaltung bereit, die den Fotodetektor wie hierin beschrieben umfasst. Dementsprechend stellen die mindestens zwei Kontakte die Konnektivität der Vorrichtung an den Rest der Schaltung bereit. Es versteht sich, dass bei Verwendung eine Lichtquelle Licht in den Kanal aus Wellenleitermaterial leitet. Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Glasfaser, typischerweise Silika (Siliziumdioxid) sein.
Wie vorstehend beschrieben, stellt ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors bereit, wobei das Verfahren umfasst:

Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten Kanal. Dies kann zum Beispiel durch Laser-, Plasma- und/oder Reaktivionenätzen eines geeigneten Substrats (wie eines Siliziumdioxids auf Siliziumsubstrat) erreicht werden, um einen Kanal in die Oberfläche des Substrats zu ätzen. Solche Ätztechniken sind im Stand der Technik gut bekannt.
Ein geeignetes Wellenleitermaterial wird innerhalb des geätzten Kanals der gewünschten Dimensionen abgeschieden, um den ersten Kanal aus Wellenleitermaterial zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wellenleitermaterial Siliziumnitrid und das Siliziumnitrid wird durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) in den geätzten Kanal abgeschieden. LPCVD ist besonders bevorzugt, um im Wesentlichen verlustarmes SiN_x zu erreichen und wird in der Regel bei der Abscheidung bei Temperaturen von etwa 650 °C bis 900 °C ausgeführt. In der Regel ist der Restwasserstoffkontakt im PECVD-gewachsenen Siliziumnitrid viel höher, was zu einer größeren optischen Absorption, insbesondere bei Telekommunikationswellenlängen, führt. Außerdem weist das PECVD-gewachsene Siliziumnitrid in der Regel eine höhere Nadellochdichte auf.
Siliziumnitrid wird abgeschieden, um den geätzten Kanal für den Wellenleiter zu füllen, und ferner wird die Abscheidung fortgesetzt, um eine Schicht aus Siliziumnitrid über den Wellenleiterkanal und den Rest des Substrats bereitzustellen. Das Verfahren umfasst ferner das teilweise Ätzen der Siliziumnitridschicht, um eine im Wesentlichen flache Wachstumsoberfläche bereitzustellen (d. h. eine flache Oberfläche, auf die ein Isolieroxid abgeschieden werden kann).
Vorzugsweise wird das teilweise Ätzen der Siliziumnitridschicht durch chemisches mechanisches Polieren (CMP) oder Planarisieren durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Oberflächenrauheit der Siliziumnitridschicht, gemessen durch ihr arithmetisches Mittel (Ra), weniger als 2 nm, vorzugsweise weniger als 1 nm, mehr bevorzugt weniger als 0,5 nm, noch mehr bevorzugt weniger als 0,25 nm. Ra wird vorzugsweise durch Atomkraftmikroskopie (AFM) gemessen. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Wachstum von Siliziumnitrid durch LPCVD, gefolgt von teilweise Ätzen, vorteilhafterweise eine geeignet glatte und gleichmäßige Wachstumsoberfläche von Siliziumnitrid bereitstellt, auf dem eine gleichmäßige Isolierschicht bereitgestellt werden kann. Die Erfinder haben festgestellt, dass besonders hochwertiges Graphen durch CVD direkt auf Isolieroxid aufwachsen kann, das selbst eine glatte obere Oberfläche aufweist, speziell ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, wodurch die Konstruktion eines Fotodetektors ermöglicht wird, der den einzigartigen elektrooptischen Eigenschaften von Graphen profitieren kann.
Das Verfahren beinhaltet einen Schritt des Abscheidens eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf die Oberfläche der geätzten Siliziumnitridschicht, d. h. der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden. Ein solcher Schritt kann unter Verwendung einer beliebigen im Stand der Technik bekannten Technik ausgeführt werden. E-Strahlabscheidung, PECVD, PEALD und ALD sind bevorzugte Techniken. Die Atomschichtabscheidung wird besonders bevorzugt, da die Erfinder festgestellt haben, dass die Oxidschicht beim Aufwachsen durch ALD sehr einheitlich bleibt, was die Bildung von hoch einheitlichem Graphen darauf durch CVD ermöglicht.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Bildens einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht durch CVD. Graphen, das direkt auf der ersten Isolierschicht gebildet wird, bedeutet, dass das Graphen frei von Kupfer oder einem anderen katalytischen Metall, einer Kontamination oder einem Transfer von Polymerresten ist, die bei Prozessen im Stand der Technik aufgrund von übertragenem Graphen unvermeidbar sind.
Vorzugsweise wird das Graphen durch CVD gemäß der Offenbarung von WO 2017/029470 aufgewachsen (dessen Inhalte durch Bezugnahme darauf hierin aufgenommen wird). Diese Veröffentlichung offenbart Verfahren zum Herstellen von Graphen; diese beruhen in erster Linie auf dem Erhitzen eines Substrats, das sich in einer Reaktionskammer befindet, auf eine Temperatur, die innerhalb des Zersetzungsbereichs eines auf Kohlenstoff basierenden Vorläufers für das Graphenwachstum liegt, dem Einleiten des Vorläufers in die Reaktionskammer durch einen relativ kühlen Einlass, um einen ausreichend starken thermischen Gradienten hervorzurufen, der von der Substratoberfläche zu dem Punkt verläuft, an dem der Vorläufer in die Reaktionskammer eintritt, sodass der Anteil des Vorläufers, der in der Gasphase reagiert, niedrig genug ist, um die Bildung von Graphen aus dem vom zersetzten Vorläufer freigesetzten Kohlenstoff zu ermöglichen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Brausekopf mit mehreren Vorläufereintrittsstellen oder -einlässen, deren Trennung von der Substratoberfläche unterschiedlich sein kann und vorzugsweise weniger als 100 mm beträgt.
Wachsendes Graphen ist synonym mit Synthese, Herstellung, Produktion und Bilden von Graphen. Die Verfahren umfassen das Bilden einer Graphen-Monoschicht durch CVD, was in einer CVD-Reaktionskammer erfolgt. Dieser Schritt der Graphenbildung umfasst in der Regel das Einleiten eines Vorläufers in einer Gasphase und/oder in einem Gas suspendiert in die CVD-Reaktionskammer. CVD bezieht sich im Allgemeinen auf eine Reihe von chemischen Dampfabscheidungstechniken, bei denen jeweils eine Vakuumabscheidung erfolgt, um dünne Schichten, z. B. zweidimensionale kristalline Materialien wie Graphen, zu produzieren. Flüchtige Vorläufer, die sich in der Gasphase befinden oder in einem Gas suspendiert sind, werden zersetzt, um die notwendigen Spezies freizusetzen, um das gewünschte Material, also Kohlenstoff im Falle von Graphen, zu bilden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Bilden von Graphen durch thermische CVD, wobei die Zersetzung eine Folge des Erhitzens des Vorläufers ist. Vorzugsweise ist die verwendete CVD-Reaktionskammer eine Kaltwand-Reaktionskammer, wobei ein mit dem Substrat gekoppelter Heizer die einzige Wärmequelle für die Kammer ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die CVD-Reaktionskammer einen eng gekoppelten Brausekopf mit einer Mehrzahl oder einem Array von Vorläufereintrittspunkten. Solche CVD-Einrichtungen, die einen eng gekoppelten Brausekopf umfassen, sind für den Einsatz in MOCVD-Prozessen bekannt. Dementsprechend kann das Verfahren alternativ auch mit MOCVD und/oder unter Verwendung eines MOCVD-Reaktors durchgeführt werden, der einen eng gekoppelten Brausekopf umfasst. In jedem Fall ist der Brausekopf vorzugsweise konfiguriert, um eine Mindesttrennung von weniger als 100 mm, stärker bevorzugt von weniger als 25 mm, noch stärker bevorzugt von weniger als 10 mm, zwischen der Oberfläche der ersten Isolierschicht und der Vielzahl von Vorläufereintrittspunkten bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass unter einer konstanten Trennung zu verstehen ist, dass die Mindestrennung zwischen der Oberfläche des Substrats und jeder Vorläufereintrittsstelle im Wesentlichen dieselbe ist. Die Mindesttrennung bezieht sich auf die kleinste Trennung zwischen einer Vorläufereintrittsstelle und der Oberfläche der ersten Isolierschicht. Dementsprechend beinhaltet eine solche Ausführungsform eine „vertikale“ Anordnung, bei der die Ebene, die die Vorläufereintrittsstellen enthält, im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Oberfläche verläuft.
Die Vorläufereintrittsstellen in die Reaktionskammer werden vorzugsweise gekühlt. Die Einlässe oder, falls verwendet, der Brausekopf, werden vorzugsweise durch ein externes Kühlmittel, z. B. Wasser, aktiv gekühlt, um eine relativ kühle Temperatur der Vorläufereintrittsstellen aufrechtzuerhalten, sodass die Temperatur des Vorläufers beim Durchgang durch die mehreren Vorläufereintrittsstellen und in die Reaktionskammer weniger als 100 °C, vorzugsweise weniger als 60 °C, wie von 40 °C bis 60 °C, beträgt.
Vorzugsweise erzeugt eine Kombination aus einem ausreichend geringen Abstand zwischen der Oberfläche und den mehreren Vorläufereintrittsstellen und der Kühlung der Vorläufereintrittsstellen in Verbindung mit der Erwärmung des Substrats innerhalb eines Zersetzungsbereichs des Vorläufers, im Allgemeinen über 700 °C, einen ausreichend starken Wärmegradienten, der von der Substratoberfläche zu den Vorläufereintrittsstellen verläuft, um die Graphenbildung auf der Substratoberfläche zu ermöglichen. Wie in WO 2017/029470 offenbart, können sehr starke Wärmegradienten verwendet werden, um die Bildung von hochwertigem und gleichmäßigem Graphen direkt auf nichtmetallischen Substraten vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des Substrats zu ermöglichen. Das Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 5 cm (2 Zoll), mindestens 15 cm (6 Zoll) oder mindestens 30 cm (12 Zoll) haben, zu besonders geeigneten Einrichtungen für das hierin beschriebene Verfahren gehören ein Aixtron® Close-Coupled Showerhead®-Reaktor und ein Veeco® TurboDisk-Reaktor.
Demzufolge umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wobei die Bildung von Graphen das Verwenden des Verfahrens beinhaltet, wie es in WO 2017/029470 offenbart ist:

Bereitstellen des Substrats mit der ersten Isolierschicht auf einem erwärmten Suszeptor in einer eng gekoppelten Reaktionskammer, wobei die eng gekoppelte Reaktionskammer eine Vielzahl gekühlter Einlässe aufweist, die so angeordnet sind, dass die Einlässe über die Oberfläche der ersten Isolierschicht verteilt sind und einen konstanten Abstand von der Oberfläche der ersten Isolierschicht aufweisen;
Kühlen der Einlässe auf weniger als 100 °C;
Einleiten eines Vorläufers in einer Gasphase und/oder suspendiert in einem Gas durch die Einlässe und in die CVD-Reaktionskammer, um dadurch den Vorläufer zu zersetzen und Graphen auf der Oberfläche der ersten Isolierschicht zu bilden; und
Erwärmen des Suszeptors auf eine Temperatur von mindestens 50 °C über der Zersetzungstemperatur des Vorläufers, um einen Wärmegradienten zwischen der Oberfläche der ersten Isolierschicht und den Einlässen zu erzeugen, der steil genug ist, um die Bildung von Graphen aus dem vom zersetzten Vorläufer freigesetzten Kohlenstoff zu ermöglichen;
wobei der konstante Abstand weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, noch mehr bevorzugt weniger als 10 mm beträgt.

Das Verfahren umfasst ferner die Schritt des Strukturierens der Graphen-Monoschicht und Bilden von mindestens zwei ohmschen Kontakten, die jeweils mit der strukturierten Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind.
Der Schritt des Strukturierens von Graphen ermöglicht das Strukturieren von Graphen in eine gewünschte Form und Konfiguration. Zum Beispiel kann das Graphen strukturiert werden, um eine Graphenschicht mit der gewünschten Länge über dem Wellenleiter und/oder der gewünschten Breite bereitzustellen, um zu ermöglichen, dass zwei Kontakte in Kontakt mit einer Kante des Graphen und in unterschiedlichem Abstand von dem Wellenleiter bereitgestellt werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner das Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf oder über die Graphen-Monoschicht, um die zweite Isolierschicht zu bilden. In einer Ausführungsform wird die zweite Isolierschicht auf die Graphen-Monoschicht vor dem Schritt des Strukturierens/Ätzens von Graphen abgeschieden. Dementsprechend umfasst, in einer solchen Ausführungsform, der Schritt des Ätzens der Graphen-Monoschicht gleichzeitig das Ätzen von Abschnitten der darauf abgeschiedenen zweiten Isolierschicht. Eine solche Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da das Graphen durch die zweite Isolierschicht vor Kontamination geschützt bleibt. Zusätzlich werden durch Ätzen und Strukturieren von Graphen gleichzeitig mit der zweiten Isolierschicht nur die Kanten des Graphen freigelegt. Infolgedessen können Kontakte solcher metallohmschen Kontakte abgeschieden werden, um nur einen Abschnitt der Kante der geätzten Graphen-Monoschicht zu berühren. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Kontakte vor der zweiten Isolierschicht gebildet.
Die erste Graphenschicht, die durch CVD direkt auf die erste Isolierschicht gewachsen wurde, bietet viele Vorteile gegenüber Graphen, das übertragen wurde. Ein solches Graphen ist in der Qualität geringer und kann aufgrund der unvermeidbaren Beschädigung und Dotierung, die während der Übertragungsprozesse auftritt, nicht die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Graphen liefern. In der Regel bleibt Graphen, das durch CVD auf Kupferfolie gewachsen wird, unbeabsichtigt und unvermeidlich mit Kupferatomen dotiert. Außerdem wird, um das Graphen aus der Kupferfolie zu entfernen, das Graphen verschiedenen Lösungsmitteln und Ätzlösungen ausgesetzt, wobei die Graphen- und Polymerbeschichtung, die zur Unterstützung von Graphen während des Prozesses verwendet werden, weiter kontaminiert wird, oft nie vollständig von der Graphenoberfläche entfernt wird. Schließlich führt die physische Übertragung von Graphen zu einer Rissbildung, Knitter und anderen Verformungen, die nicht vorhanden sind, wenn Graphen direkt auf das Substrat der Vorrichtung wächst.
Dementsprechend haben die Erfinder versucht, die wünschenswerten elektronischen Eigenschaften der ersten Graphenschicht aufrechtzuerhalten, indem weitere Schritte vermieden werden, die andernfalls das Graphen unbeabsichtigt dotieren können. Infolgedessen wird die Leistung des graphenbasierten Fotodetektors verbessert.
Das Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors umfasst das Bilden von mindestens zwei ohmschen Kontakten, die jeweils mit der strukturierten Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind. Solche Kontakte können durch e-Strahlabscheidung geeigneter Metalle wie Titan, Nickel und/oder Aluminium gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden unterschiedliche Metalle mit unterschiedlichen Arbeitsfunktionen abgeschieden, um den Fotodetektor mit asymmetrischen Kontakten bereitzustellen, um den Elektronenlochpaarungsabstand zu erleichtern. Alternativ ist es auch bevorzugt, dass die Kontakte durch unterschiedliche Entfernungen von dem Kanal der Wellenleitermaterialien getrennt sind.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine Schaltung bereit, die den Detektor wie hierin beschrieben umfasst. Dementsprechend stellen die ohmschen Kontakte die Konnektivität der Vorrichtung an den Rest der Schaltung bereit. Es versteht sich, dass als Detektor bei Verwendung eine Lichtquelle Licht in den Kanal aus Wellenleitermaterial leitet. Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Glasfaser, typischerweise Silika (Siliziumdioxid) sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt ein Array von Detektoren bereit, wie hierin beschrieben und die ein gemeinsames Substrat teilen. Dementsprechend ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren die Herstellung einer Vielzahl von Detektoren in einem einzigen Prozess. Vorzugsweise ist das Array auf einem Substrat hergestellt, das einen Durchmesser von mindestens 5 cm (2 Zoll), mindestens 15 cm (6 Zoll) oder mindestens 30 cm (12 Zoll) aufweist. Ein solches Verfahren ermöglicht die Massenproduktion und Vertrieb von graphenbasierten Fotodetektoren.
System
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt ein System zur optischen Übertragung von Daten bereit, wobei das System umfasst:

den Fotodetektor wie hierin beschrieben;
einen elektrooptischen Modulator und
eine Lichtquelle,
wobei:
- (i) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einen gemeinsamen Wellenleiter teilen und wobei die Lichtquelle konfiguriert ist, um Licht entlang des Wellenleiters zu leiten, und/oder
- (ii) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator sich ein gemeinsames Substrat teilen.

Vorzugsweise ist der elektrooptische Modulator ein elektrooptischer Modulator, wie hierin in dem Abschnitt mit dem Titel „Elektrooptischer Modulator“ beschrieben.
Der Klarheit halber ist der Detektor im Abschnitt „Fotodetektor“ unter Bezugnahme auf Merkmale wie einen „ersten Abschnitt“ oder eine „erste Schicht“ beschrieben. Wenn ein System bereitgestellt wird, das sowohl einen Detektor als auch einen Modulator enthält, versteht es sich, dass dies als „erster Detektorabschnitt“ oder „erste Detektorschicht“ zu verstehen ist. Das heißt, der Begriff Detektor kann verwendet werden, um jeden Teil des Detektors zu beschreiben, wie in dem Abschnitt „Fotodetektor“ dieser Beschreibung beschrieben.
Ebenso ist der Modulator zur Klarheit in dem Abschnitt mit dem Titel „Elektrooptischer Modulator“ unter Bezugnahme auf Merkmale wie einen „ersten Abschnitt“ oder eine „erste Schicht“ beschrieben. Wenn ein System bereitgestellt wird, das sowohl einen Detektor als auch einen Modulator enthält, versteht es sich, dass dies als „erster Modulatorabschnitt“ oder „erste Modulatorschicht“ zu verstehen ist. Das heißt, der Begriff Modulator kann verwendet werden, um jeden Teil des Modulators zu beschreiben, wie in dem Abschnitt „Elektrooptischer Modulator“ dieser Beschreibung beschrieben.
Vorzugsweise ist der elektrooptische Modulator des Systems ein elektrooptischer Modulator, wie hierin in dem Abschnitt „Elektrooptischer Modulator“ dieser Beschreibung beschrieben. Dementsprechend umfasst der elektrooptische Modulator des Systems vorzugsweise:

ein Modulatorsubstrat mit einem darin eingebetteten ersten Modulatorkanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Modulatorsubstrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Modulatoroberfläche bereitstellen,
eine erste Modulator-Isolierschicht auf und über die obere Modulatoroberfläche;
eine Modulator-Graphenschicht, die auf der ersten Modulator-Isolierschicht und über mindestens einem ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und
eine zweite Modulator-Isolierschicht, die auf und über der Modulator-Graphenschicht bereitgestellt ist;
wobei die Modulator-Graphenschicht eine erste Modulator-Elektrode bereitstellt und wobei eine, vorzugsweise nicht aus Graphen, zweite Modulator-Elektrode entweder:
- (i) auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, die mindestens den ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial überlappt, oder
- (ii) innerhalb des Modulator-Substrats bereitgestellt ist, das den ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial mindestens teilweise unterschneidet.

Hierin wird auch ein System zur optischen Übertragung von Daten beschrieben, wobei das System umfasst:

einen Fotodetektor;
den elektrooptischen Modulator, wie hierin beschrieben, und
eine Lichtquelle,
wobei:
- (i) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einen gemeinsamen Wellenleiter teilen und wobei die Lichtquelle konfiguriert ist, um Licht entlang des Wellenleiters zu leiten, und/oder
- (ii) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator sich ein gemeinsames Substrat teilen.

In einer Ausführungsform teilen sich der Detektor und der Modulator einen gemeinsamen Wellenleiter, sodass die zwei Vorrichtungen in optischer Kommunikation miteinander sind. Dementsprechend ist die in dem System vorhandene Lichtquelle konfiguriert, um Licht entlang des Wellenleiters unter Verwendung jedes herkömmlichen Mittels nach dem Stand der Technik zu leiten. Der Detektor und der Modulator können über eine optische Faser in optischer Kommunikation sein. Das heißt, der Kanal aus Wellenleitermaterial des Modulators kann mit einer Glasfaser gekoppelt sein, die es dem Licht ermöglicht, sich zu dem Kanal aus Wellenleitermaterial des Modulators zu bewegen. Für eine Femdatenübertragung sind optische Fasern bevorzugt. Dementsprechend werden der Detektor und der Modulator, die sich einen gemeinsamen Wellenleiter teilen, so verstanden, dass sie in optischer Kommunikation sind, sodass Licht konfiguriert ist, um den Wellenleiter jeder Vorrichtung zu passieren. Das Wellenleitermaterial kann diskontinuierlich sein und jede separate Vorrichtung ist zum Beispiel über ein Glasfaserkabel, das mit dem Wellenleiter jeder Vorrichtung gekoppelt ist, optisch verbunden, um den Durchgang von Licht zu ermöglichen. Wie hierin beschrieben, können in anderen Ausführungsformen der Detektor und der Modulator, die einen gemeinsamen Wellenleiter teilen, vorzugsweise das Teilen eines kontinuierlichen Wellenleiters umfassen, der aus einem einzigen Material gebildet ist.
In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einstückig ausgebildet und teilen sich ein gemeinsames Substrat, und vorzugsweise ist der erste Kanal aus Wellenleitermaterial mit dem ersten Modulatorkanal aus Wellenleitermaterial kontinuierlich. Dementsprechend können, wie hierin beschrieben, der Detektor und der Modulator gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substrat gebildet und mit bekannten Substraten wie CMOS-Substraten zur Massenherstellung integrierter photonischer Vorrichtungen integriert werden, wodurch die Prozesseffizienz verbessert wird.
Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, sind die Erfinder überzeugt, dass durch Bereitstellen eines Fotodetektors und EOM, die in den gleichen Schritten aus denselben Materialien gebildet wurden, sodass sie auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind, ein Vorteil aus den zwei Vorrichtungen entsteht, die im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie eine unbeabsichtigte Dotierung. Infolgedessen können sowohl der Fotodetektor als auch der Modulator ähnliche Reaktionen in Bezug auf das Graphen in jeder Vorrichtung aufweisen, die in demselben Schritt gebildet wurden und im Wesentlichen die gleiche Qualität und Ladungsträgerdichte aufweisen. Dementsprechend ist die Vorrichtungsreaktion, zum Beispiel während Temperaturschwankungen, für jeden Teil des Systems ähnlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems, wobei der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator ein gemeinsames Substrat teilen, ist ein Sendeempfänger, hierbei handelt es sich um bekannte Vorrichtungen, die in der Lage sind, Licht (optische Daten) gleichzeitig über einen Sender und einen Empfänger zu übertragen und zu empfangen. Die Lichtquelle des Systems wird konfiguriert, um Licht entlang des Modulator-Wellenleiters zur Modulation durch den Modulator zu leiten. Der Sendeempfänger kann so verbunden sein, dass er in optischer Kommunikation mit einem oder mehreren Sendeempfängern ist, sodass das übertragene Licht (das die Ausgabe von dem Modulator eines ersten Sendeempfängers ist) der Eingang für den Empfänger (den Fotodetektor) eines zweiten Sendeempfängers ist. Ein solches System kann auch einen Multiplexer/Demultiplexer einschließen. Dementsprechend umfassen der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator eines Sendeempfängers jeweils einen separaten Wellenleiter (d. h. der Wellenleiter ist beiden Vorrichtungen nicht gemeinsam, ist jedoch vorzugsweise einstückig wie hierin beschrieben im gleichen Ausbildungsschritt ausgebildet). Stattdessen stehen die Wellenleiter jedes Fotodetektors und der elektrooptische Modulator eines Systems in optischer Kommunikation mit einem elektrooptischen Modulator oder Fotodetektor eines anderen Systems.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden eines Systems für die optische Übertragung von Daten bereit, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal;
Füllen des ersten Kanals mit SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertem Silizium;
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD;
mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um eine erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Strukturieren der Graphenschicht, um einen Detektorabschnitt und einen separaten Modulatorabschnitt zu bilden, die jeweils über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet sind;
Bilden von mindestens zwei ohmschen Detektorkontakten, die mit dem Detektorabschnitt der Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind, um den Fotodetektor zu bilden;
Bilden mindestens eines ohmschen Modulatorkontakts, der in Kontakt mit dem Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht steht;
Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf und über mindestens den Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht, um mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen einer, vorzugsweise nicht aus Graphen, Elektrode auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, um den elektrooptischen Modulator zu bilden.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Bilden des hierin beschriebenen Systems, wobei der Detektor und der Modulator mindestens einen gemeinsamen und kontinuierlichen Wellenleiter oder ein gemeinsames Substrat, vorzugsweise beide, d. h. das System, wie hierin beschrieben, teilen.
Es versteht sich, dass die Verfahren zum Bilden des Detektors und des Modulators sehr ähnlich sind. Dementsprechend gelten alle Merkmale, die in Bezug auf die Verfahren zum Bilden des Detektors beschrieben werden, gleichermaßen.
Beim Bilden des Systems des vorliegenden Gesichtspunkts umfasst das Verfahren Schritte zum Bereitstellen eines geeigneten Substrats und Wellenleiters wie hierin beschrieben und zum Bilden einer Monoschicht aus Graphen durch CVD. Das Verfahren umfasst ferner das Strukturieren von Graphen, zum Beispiel durch Laser- oder Plasmaätzen, um mindestens zwei separate Abschnitte von Graphen zu bilden. Ein erster Abschnitt bildet den Detektorabschnitt (d. h. die Graphenschicht des Fotodetektors, wie hierin beschrieben), und ein zweiter Abschnitt bildet den Modulator-Abschnitt (d. h. die Graphenschicht des elektrooptischen Modulators, wie hierin beschrieben, der den Modulator mit einer Graphenelektrode bereitstellt). Jeder ist über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet, das daher jeder Vorrichtung gemeinsam ist. Mit anderen Worten ist der erste Kanal aus Wellenleitermaterial (des Detektors) mit dem ersten Modulator-Kanal aus Wellenleitermaterial kontinuierlich.
Wie hierin für jeden von Fotodetektor und elektrooptischen Modulator beschrieben, umfasst das Verfahren zum Bilden des Systems Schritte zum Bilden mindestens zweier Kontakte, um den Fotodetektor zu bilden (d. h. mindestens zwei Fotodetektorkontakte), wobei die zwei Kontakte in Kontakt mit dem Fotodetektorabschnitt der strukturierten Graphen-Monoschicht auf jeder Seite des Wellenleiters angeordnet sind. Gleichermaßen umfasst das Verfahren das Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf und über mindestens den Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht, um mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht zu bilden und Bereitstellen einer, vorzugsweise nicht aus Graphen, Elektrode auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, um den elektrooptischen Modulator zu bilden. Vorzugsweise umfasst der Schritt, der mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht bildet, ferner das Bilden einer zweiten Detektor-Isolierschicht auf und über den Detektorabschnitt der Graphen-Monoschicht umfasst. Mit anderen Worten umfasst das Verfahren vorzugsweise einen einzigen Schritt zum Bilden einer kontinuierlichen zweiten Isolierschicht über Detektor- und Modulatorabschnitte der strukturierten Graphen-Monoschicht.
Das Verfahren umfasst auch das Bilden mindestens eines ohmschen Kontakts (d. h. eines ohmschen Modulatorkontakts) in Kontakt mit dem Modulator-Abschnitt der Graphen-Monoschicht, um die elektrische Verbindung des Modulators mit zusätzlicher Schaltlogik zu ermöglichen.
Besonders vorteilhaft ist es, dass in dem System der vorliegenden Erfindung jeder von Fotodetektor und elektrooptischem Modulator einen gemeinsamen und kontinuierlichen Wellenleiter teilen, wobei der Wellenleiter in einem einzigen Schritt ausgebildet wird. Durch Vermeiden der Notwendigkeit, den Wellenleiter mit zum Beispiel einer Zwischenfaseroptik zu koppeln, weist das System eine Verringerung des Verlusts (d. h. Verlust an optischer Leistung) auf. Es versteht sich, dass, wenn das System zum Beispiel ein Sendeempfänger ist, der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator jeweils einen separaten (d. h. nicht kontinuierlichen) Kanal aus Wellenleitermaterial umfassen können, der während desselben Abscheidungsschritts des gleichen Materials in die geätzten Kanäle in einem gemeinsamen Substrat gebildet wird.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System eine Vielzahl von Lichtquellen (wie eine Vielzahl von Lasern), die jeweils konfiguriert ist, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen bereitzustellen, und jede Lichtquelle ist konfiguriert, um Licht entlang des Wellenleiters eines von einer Vielzahl von elektrooptischen Modulatoren zu leiten. Vorzugsweise umfasst das System ferner eine Vielzahl von entsprechenden Fotodetektoren.
Elektrooptischer Modulator
In dieser Beschreibung ist der Begriff „Modulator“ gleichbedeutend mit „elektrooptischer Modulator“ oder „EOM“.
Hierin ist ein elektrooptischer Modulator beschrieben, der umfasst:

ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen,
eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche;
eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und eine zweite Isolierschicht, die auf und über der Graphenschicht bereitgestellt ist;
wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine, vorzugsweise nicht aus Graphen, zweite Elektrode entweder:
- (i) auf der zweiten Isolierschicht, die mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial überlappt, oder
- (ii) innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, das den ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial mindestens teilweise unterschneidet.

Der elektrooptische Modulator in dem System der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial. Das Substrat mit einem eingebetteten Wellenleitermaterial kann jedes Substrat sein, das einen Wellenleiter umfasst, wie im Stand der Technik bekannt. Mit „eingebettet“ ist gemeint, dass das Wellenleitermaterial einen Teil des Körpers des Substrats bildet und einen Teil einer im Wesentlichen flachen oberen Oberfläche bildet, einem herkömmlichen Begriff im Stand der Technik im Gegensatz zu erhabenen Wellenleitern. Im Stand der Technik kann das umgebende Medium des Substrats als „Mantel/Cladding/Ummantelung“ bezeichnet werden, der/die/das verwendet wird, um das Licht in dem Wellenleiter zu begrenzen.
Wellenleiter und Wellenleitermaterialien sind im Stand der Technik gut bekannt und bilden das Grundelement vieler integrierter optischer Vorrichtungen. Ein Wellenleiter ist in der Regel in Form eines Kanals mit Dimensionen, die ausreichen, um Licht in zwei Dimensionen zu begrenzen. Dementsprechend ist ein Querschnitt senkrecht zu der dritten Dimension (d. h. der Lichtrichtung) eines eingebetteten Wellenleiters in der Regel im Wesentlichen rechteckig, obwohl zu erkennen ist, dass der Wellenleiterkanal jede andere im Stand der Technik bekannte Form annehmen kann und/oder Teil einer größeren Struktur sein kann (wie ein kreisförmiger Ringresonator, in welchem Fall die Richtung des Lichtwegs als Tangente angenommen werden kann). In ähnlicher Weise kann der Wellenleiter abzweigen oder Kanäle können sich kreuzen und gekrümmte oder gebogene Strukturen aufweisen und als nanophotonische Drähte betrachtet werden. Wellenleiter können für die Strahlteilung verzweigt und zum Schneiden überkreuzt werden.
Vorzugsweise beträgt das Breiten-Höhen-Verhältnis des Wellenleitermaterials 1,5:1 bis 10:1. Vorzugsweise beträgt die Querschnittshöhe des eingebetteten Wellenleitermaterials (eine Dimension, die im Wesentlichen senkrecht zur Graphenschicht ist) mindestens 100 nm, vorzugsweise mindestens 200 nm. Die Höhe kann weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 400 nm, wie von 100 nm bis 500 nm, vorzugsweise von 200 nm bis 400 nm, betragen. Die Breite (eine Dimension, die im Wesentlichen parallel zur Graphenschicht und senkrecht zur Lichtrichtung verläuft) kann mindestens 150 nm, vorzugsweise mindestens 300 nm, vorzugsweise mindestens 500 nm, betragen. Die Breite kann weniger als 1500 nm, vorzugsweise weniger als 1200 nm, betragen. Siliziumnitrid ist ein bevorzugtes Wellenleitermaterial, wie hierin beschrieben, das im Allgemeinen einen geringeren Streuverlust im Vergleich zu anderen Wellenleitermaterialien aufweist und daher vorzugsweise breiter sein kann. Das Breiten-Höhen-Verhältnis für einen Siliziumnitridwellenleiter kann vorzugsweise von 3:1 bis 10:1 betragen, während das Verhältnis für einen Siliziumwellenleiter vorzugsweise von 1,5:1 bis 5:1 betragen kann.
Es versteht sich, dass das Wellenleitermaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Substratmaterial, in dem es eingebettet ist. Ein gemeinsames Substrat, das zur Verwendung in dem EOM in dem System der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, ist ein Siliziumdioxid-Substrat. Das Siliziumdioxid kann eine obere Schicht auf einem Siliziumgrundsubstrat bilden, wobei das Wellenleitermaterial in das Siliziumdioxid eingebettet ist. Vorzugsweise kann das Substrat ein CMOS-Wafer sein, der eine zugehörige Schaltlogik aufweisen kann, die innerhalb des Substrats eingebettet ist. Dementsprechend kann das Substrat des vorliegenden EOM entweder einen Siliziumwafer oder einen CMOS-Wafer umfassen. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat III/V-Halbleitermaterialien umfassen.
Vorzugsweise ist das Wellenleitermaterial Siliziumnitrid, unbeabsichtigt dotiertes Silizium oder n-dotiertes Silizium. Wie hierin verwendet bezieht sich Siliziumnitrid gleichfalls auf SiN_x, das im Stand der Technik gut bekannt ist, und schließt das idealisierte stöchiometrische Verhältnis ein, wobei x 1,33 (d. h. Si₃N₄) beträgt. Siliziumreiche Schichten, bei denen x nur 0,5 beträgt, sind im Stand der Technik noch als Siliziumnitrid bekannt. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium soll sich auf im Wesentlichen undotiertes Silizium beziehen, obwohl das Silizium eine unvermeidbare oder minimale Dotierung aufweisen kann. Die intrinsische Ladungsträgerdichte von Silizium beträgt in der Regel etwa 10¹⁰ cm^-3 und dotiertes Silizium weist in der Regel eine Ladungsträgerdichte von etwa 10¹³ cm^-3 oder mehr und/oder etwa 10²⁰ cm^-3 oder weniger, etwa 5 x 10¹⁹ cm^-3 oder weniger, oder etwa 10¹⁹ cm^-3 oder weniger, auf. N-Dotierungselemente sind in der Regel ausgewählt aus Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut und Lithium, obwohl andere Elemente Germanium, Stickstoff, Gold und Platin einschließen. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium kann daher als Bereich von etwa 10¹⁰ cm^-3 bis etwa 10¹³ cm^-3, vorzugsweise etwa 10¹⁰ bis etwa 10¹² cm ^-3 betrachtet werden.
Andere geeignete Wellenleitermaterialien sind im Stand der Technik bekannt und schließen Materialien wie Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtanalat (LiTaO₃) zusammen mit Kaliumtitanylarsenat (KTA: KTiOAsO₄) und Kaliumtitanylphosphat (KTP: KTiOPO₄) ein, die im Allgemeinen unter die Formel MTiOXO₄ fallen, wobei M ein Alkalimetall oder Ammoniak ist und X Phosphor und/oder Arsen ist. Gleichermaßen kann das Substrat (als Ummantelung) aus jedem geeigneten Material mit niedrigem Brechungsindex gebildet sein, das die vorstehend genannten Materialien einschließt, die angemessen dotiert wurden, wie mit MgO oder ZnO. Alternativ kann das Substrat (die Ummantelung) MgO oder ZnO oder SiO₂ sein, wie vorstehend erörtert. Gleichermaßen kann das Substrat weitere darunter liegende Schichten wie Silizium umfassen, auf denen der Wellenleiter und die Ummantelung bereitgestellt sind. Andere gemeinsame Wellenleitermaterialien schließen III-V-Halbleiter ein, wie solche, die Indiumarsenid und/oder Galliumphosphid wie InGaAsP und AlInGaAs umfassen. Germanium ist auch ein geeignetes Wellenleitermaterial.
Der EOM weist eine erste Isolierschicht auf und über die im Wesentlichen flache obere Oberfläche des eingebetteten Wellenleitersubstrats auf. Wie hierin beschrieben, bedeutet „auf“ direkt auf, sodass die erste Isolierschicht des EOM in direktem Kontakt mit der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleitermaterials steht. Die im Wesentlichen flache obere Oberfläche weist vorzugsweise eine arithmetische Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als 2 nm, vorzugsweise weniger als 1 nm, mehr bevorzugt weniger als 0,5 nm und noch mehr bevorzugt weniger als 0,25 nm auf. Eine solche glatte Oberfläche ermöglicht, dass qualitativ hochwertiges Graphen durch CVD direkt darauf gebildet wird, das selbst im Wesentlichen flach ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass Knitter und andere Defekte in der Graphenschicht zu einer Verschlechterung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen führen, zum Beispiel durch Ladungsstreuung. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Ladungsstreuung negativ auf die Vorrichtungsleistung wirkt, wie Modulationseffizienz und das Extinktionsverhältnis und eine verbesserte Vorrichtung wird daher erhalten, indem Graphen direkt auf der ersten Isolierschicht durch CVD bereitgestellt wird.
Die Isolierschicht ist elektrisch isolierend. Solche Materialien sind im Stand der Technik gut bekannt und weisen vorzugsweise eine Leitfähigkeit auf, die bei Raumtemperatur (22 °C) mit weniger als 10^-5S/cm, vorzugsweise weniger als 10^-6 S/cm gemessen wird. Alternativ kann dies in Bezug auf die Materialbandlücke gemessen werden; Silizium weist eine Bandlücke von etwa 1,1 eV bis etwa 1,6 eV auf, während die eines Isolators viel größer ist, in der Regel größer als 3 eV, vorzugsweise größer als 4 eV.
Die Dicke der ersten Isolierschicht beträgt vorzugsweise von etwa 1 nm bis etwa 100 nm, vorzugsweise von etwa 2 nm bis etwa 50 nm, mehr bevorzugt von etwa 3 nm bis etwa 50 nm und noch mehr bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 30 nm. Dickere Schichten sind aufgrund der Auswirkung auf die Modulationseffizienz weniger bevorzugt. Während die erste Isolierschicht vorzugsweise so dünn wie möglich sein kann, um die „Gating-Effizienz“ zu verbessern (d. h. die Empfindlichkeit der Fermi-Energie von Graphen auf die angelegte Vorspannung), erhöht eine dünne Isolierschicht auch die Kapazität, was zu einer Verringerung der Bandbreite führt. Dementsprechend kann die erste Isolierschicht eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, um die Anspritzeffizienz zu verbessern (d. h. die sogenannten „High-k-Dielektrika“, wie die hierin beschriebenen Materialien, umfassen oder vorzugsweise daraus bestehen). Die Dielektrizitätskonstante (k) der Isolierschicht kann größer als 2, vorzugsweise größer als 3 und noch mehr bevorzugt größer als 4 sein (wenn bei 1 kHz bei Raumtemperatur gemessen). Die Dielektrizitätskonstante kann viel größer sein, wie größer als 10. Zum Beispiel kann k etwa 16 betragen.
Vorzugsweise umfasst die erste Isolierschicht mehr als eine Schicht aus unterschiedlichen Isoliermaterialien. Dementsprechend kann ein geeignetes Isoliermaterial auf der oberen Oberfläche des Substrats und der Wellenleiter gebildet werden, während bevorzugte Materialien für das Graphenwachstum darauf gebildet werden können. Dementsprechend umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die erste Isolierschicht eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht auf der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleiters, vorzugsweise Siliziumnitrid. Wie hierin beschrieben, kann SiN_x durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) gebildet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der eingebettete Wellenleiter auch Siliziumnitrid.
Es ist auch bevorzugt, dass die erste Isolierschicht eine Metalloxidschicht umfasst oder daraus besteht. Die Schicht kann eines oder mehrere der Metalloxide Al₂O₃, HfO₂, MgO, MgAl₂O₄, ZnO, Ga₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, YAlO₃, Ta₂O₅, LiNbO₃, Y₂O₃, Y-stabilisiertes ZrO₂ (YSZ), ZrO₂, Y₃Al₅O₁₂ (YAG) sein. Die erste Schicht kann CaF₂ umfassen oder daraus bestehen. Noch mehr bevorzugt umfasst die erste Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid.
Vorzugsweise wird die Metalloxidschicht auf der Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht wie vorstehend beschrieben bereitgestellt, um eine Isolierschicht zu bilden, die mehr als eine Schicht umfasst. Die Metalloxidschicht stellt eine obere Oberfläche bereit, auf der dann Graphen bereitgestellt wird, vorzugsweise durch CVD gewachsen, wie hierin beschrieben. Dementsprechend erfordert der EOM in dem System der vorliegenden Erfindung eine flache Oberfläche, auf der Graphen bereitgestellt werden kann, um sich über und oberhalb des Wellenleitermaterials zu erstrecken (im Gegensatz zu Stegwellenleitern kann das übertragene Graphen in der Technik über die Seiten des vorstehenden Stegs des Wellenleitermaterials gefaltet werden). Das im Wesentlichen flache Graphen, das durch CVD erhältlich ist, ist von besonders hoher Qualität, sodass die vorteilhaften Vorteile in Verbindung mit dem Zweimaterial in der endgültigen Vorrichtung beibehalten werden können. Insbesondere ist das zweidimensionale Material ein Halbmetall, dessen Dichte an dem Fermi-Niveau aufgrund seiner elektronischen Struktur in Form von zwei Kegeln, die sich am sogenannten Dirac-Punkt treffen, im Wesentlichen null ist. In der Nähe des Dirac-Punktes können Ladungsträger als massive Fermionen und in reinem Graphen modelliert werden, Elektronen können durch einfallende Photonen mit einem breiten Bereich von Energien angeregt werden, in denen nur Zwischenbandübergänge zulässig sind. Die Durchlässigkeit von reinem Graphen ist im Wesentlichen frequenzunabhängig, was zu einer konstanten Absorption von etwa 2,3 % pro einzelne Monoschicht führt. Dementsprechend kann die Vorrichtung in dem System der vorliegenden Erfindung über ein breites Spektrum von Wellenlängen arbeiten, die vorzugsweise von sichtbaren bis mittleren IR-Wellenlängen betrieben werden, wie im Stand der Technik üblich.
Vorzugsweise dient die Vorrichtung zur Modulation von Licht von mindestens 300 nm bis zu 8000 nm, vorzugsweise von 500 nm bis zu 4000 nm, vorzugsweise von 1000 nm bis 2000 nm, am meisten bevorzugt von 1250 nm bis 1600 nm. In einer Ausführungsform sind die Telekommunikationswellenlängen von 1500 nm bis 1600 nm bevorzugt. Dieser Bereich von etwa 1550 nm ist die sogenannte „lange Wellenlänge“ für die Glasfaserübertragung, die in der Regel für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und höherer Bandbreite verwendet wird. Der sogenannte „kurze Wellenlänge“-Übertragungsbereich beträgt vorzugsweise von 800 bis 900 nm (d. h. etwa 850 nm und in der Regel optische Multimodenfasern) zusammen mit von 1250 nm bis 1350 nm (d. h. etwa 1300 nm) in anderen bevorzugten Ausführungsformen. In der Regel werden Einzel-Modenfasern in der Telekommunikation verwendet, die bei den höheren Wellenlängen von 1300 nm und 1550 nm arbeiten.
Es versteht sich, dass ein Wellenleitermaterial mit geeigneter Transparenz für den Betrieb bei den gewünschten Wellenlängen ausgewählt werden muss. Beispielhaft ist Silizium für Licht über etwa 1,1 µm bis zu etwa 8 µm transparent. Lithiumniobat ist von etwa 250 nm bis etwa 4 µm und Siliziumnitrid von etwa 250 nm bis etwa 8 µm transparent. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Wellenleitermaterial für Licht über den Bereich von 1250 nm bis 1600 nm und wie vorstehend erörtert transparent ist, SiN_x, n-dotiertes Silizium oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium sind geeignete bevorzugte Beispiele. Das Fermi-Niveau von Graphen kann durch Anlegen einer Gate-Spannung elektrisch abgestimmt werden. Durch Abstimmen des Fermi-Niveaus kann die Dichte von Zuständen, die für Zwischenbandübergänge verfügbar sind, abgestimmt werden. Dementsprechend ermöglicht das Anlegen einer Gate-Spannung Graphen, im Wesentlichen transparent zu werden und eine Übertragung von Licht infolge einer sogenannten Pauli-Blockierung zu ermöglichen. Dies geschieht, wenn die Fermi-Energie über die Hälfte der Photonenenergie erhöht wird, wodurch die Trägeranregung aus dem Valenz- zum Leitungsband gehemmt wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Modulation mit höherer Qualität und gleichmäßigeren Graphen verbessert werden kann, das direkt durch CVD erhältlich sind.
Dementsprechend umfasst der elektrooptische Modulator eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet ist. Die Graphenschicht kann strukturiert sein, wie durch Laser- oder Plasmaätzen, wie im Stand der Technik bekannt. Das Graphen ist derart strukturiert, dass sich mindestens ein Abschnitt der Graphenschicht direkt über einen ersten Abschnitt des darunter liegenden Wellenleiters erstreckt. Mit anderen Worten sitzt mindestens ein Abschnitt des Wellenleiterkanals in einer Position, die sich in einer Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen Graphenschicht befindet. Der erste Abschnitt bezieht sich auf einen Bruchteil der Breite des Wellenleiterkanals. Vorzugsweise beträgt der erste Abschnitt mindestens 50 % der Breite, vorzugsweise mindestens 75 % der Breite. Noch mehr bevorzugt ist das Graphen über mindestens die gesamte Breite des Wellenleiterkanals angeordnet. Es versteht sich, dass sich das Graphen nur über einen Abschnitt der gesamten Länge des Wellenleiterkanals erstrecken kann, der in das darunter liegende Substrat eingebettet ist. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Graphenschicht über mehrere Abschnitte der Länge des Wellenleiterkanals, wodurch eine riffelartige Struktur bereitstellt wird. Die Länge des Wellenleitermaterials, über das sich das Graphen erstreckt (d. h. mindestens in jedem einzelnen kontinuierlichen Abschnitt und/oder als Summe mehrerer Abschnitte), kann mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 30 µm, mehr bevorzugt mindestens 50 µm, noch mehr bevorzugt mindestens 100 µm und/oder höchstens 1 cm, vorzugsweise höchstens 1 mm, mehr bevorzugt höchstens 500 µm, noch mehr bevorzugt höchstens 250 µm betragen. Es gibt keine spezifische Obergrenze, da mit abnehmender Rückkehr bei größeren Längen eine größere Absorption erreicht wird; es ist allgemein bevorzugt, dass Vorrichtungen möglichst klein sind. Dementsprechend ist es in einigen Ausführungsformen bevorzugt, dass die Länge höchstens 100 µm, vorzugsweise höchstens 75 µm und mehr bevorzugt höchstens 50 µm beträgt.
Es ist in der Fachwelt bekannt, dass Graphen direkt auf nicht-metallischen Oberflächen von Substraten synthetisiert, hergestellt und gebildet werden kann. Dazu gehören Silizium und Saphir zusammen mit anderen exotischen Oberflächen wie III-V-Halbleitern. Die vorliegenden Erfinder stellten fest, dass das effektivste Verfahren zum Herstellen von hochwertigem Graphen, insbesondere direkt auf solchen nicht-metallischen Oberflächen, das in WO 2017/029470 offenbarte ist und hierin ausführlicher beschrieben ist. Das Verfahren von WO 2017/029470 wird idealerweise unter Verwendung eines MOCVD-Reaktors durchgeführt. MOCVD steht zwar für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, da sie ursprünglich zur Herstellung von Halbleitermaterialien wie AlN und GaN aus metallorganischen Vorläufern wie AlMe₃ (TMA1) und GaMe₃ (TMGa) diente, doch sind solche Vorrichtungen und Reaktoren auch für nichtmetallorganische Vorläufer geeignet, wie Fachleuten bekannt ist. MOCVD kann synonym mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet werden.
Graphen ist ein sehr bekanntes zweidimensionales Material, das sich auf ein Allotrop von Kohlenstoff bezieht, das eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter umfasst. Graphen und Graphenschicht, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine oder mehrere Schichten aus Graphen. Vorzugsweise ist die Graphenschicht eine Graphen-Monoschicht, die auch als einschichtige Graphenfolie bezeichnet werden kann. Für andere Anwendungen kann jedoch mehrschichtiges Graphen verwendet werden, wobei 2 oder 3 Graphenschichten bevorzugt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Graphen dotiert sein (n- oder p-Typ), wie im Stand der Technik bekannt. Verfahren zum Bilden von dotiertem Graphen sind auch in WO 2017/029470 beschrieben. Dotiertes Graphen kann vorzugsweise eine Ladungsträgerdichte von bis zu 10¹³ cm^-2 aufweisen, vorzugsweise bis zu 5 × 10¹² cm^-2.
Der EOM umfasst ferner eine zweite Isolierschicht, die auf und über der Graphenschicht bereitgestellt ist. Wenn das Graphen strukturiert wurde, wodurch die erste Isolierschicht freigelegt wird, befindet sich die zweite Isolierschicht auch auf den freigelegten Abschnitten der ersten Isolierschicht, wodurch die Graphenschicht im Wesentlichen durch Isolatormaterial verkapselt wird. Dadurch wird die Graphenschicht vor atmosphärischer Kontamination geschützt, die anderenfalls eine unerwünschte Drift in der Ladungsträgerdichte und dem Fermi-Niveau der Graphenschicht herbeiführen würde. Dementsprechend wird der Betrieb des EOM durch eine solche atmosphärische Kontamination beeinträchtigt. Wie hierin beschrieben, können ein oder mehrere Abschnitte geätzt oder anderweitig entfernt werden, um die Bildung ohmscher Kontakte an der Graphenschicht zu ermöglichen.
Die hierin beschriebenen Materialien für die erste Isolierschicht können gleichermaßen für die zweite Isolierschicht verwendet werden. In ähnlicher Weise ist die Dicke wie für die erste Isolierschicht beschrieben und beträgt vorzugsweise weniger als 100 nm. Dies ermöglicht eine empfindliche Vorspannungsabstimmung des Fermi-Niveaus von Graphen. Vorzugsweise umfasst die zweite Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium. Vorzugsweise ist das Oxid Aluminiumoxid oder Hafniumoxid. Es ist auch bevorzugt, dass die zweite Isolierschicht aus dem gleichen Material wie die obere Schicht der ersten Isolierschicht gebildet ist. Wie hierin beschrieben, kann eine solche Schicht durch ein Verfahren wie ALD gebildet werden, das besonders geeignet ist, um direkt auf Graphen zu wachsen, ohne dass die Graphenschicht unbeabsichtigt dotiert oder beschädigt wird und in einigen Ausführungsformen dazu dient, eine weitere im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitzustellen, auf der eine Nicht-Graphen-Elektrode bereitgestellt werden kann.
Die Graphenschicht stellt eine erste Elektrode für den elektrooptischen Modulator bereit. Das heißt, wenn der elektrooptische Modulator in eine Schaltung geschaltet ist und während der Verwendung ein elektrischer Strom an die Graphenschicht angelegt werden kann. Elektrische Kontakte, wie ohmsche Kontakte, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden, um die Graphenschicht zum Schalten in eine elektronische Schaltung zu berühren.
Der elektrooptische Modulator umfasst ferner eine zweite Elektrode, die vorzugsweise eine Nicht-Graphen-Elektrode ist. Während die zweite Elektrode hierin als eine Nicht-Graphen-Elektrode erörtert wird, versteht es sich in einer weniger bevorzugten Ausführungsform, dass die Elektrode in allen Fällen stattdessen eine Graphenelektrode sein könnte.
Wie bei der ersten Graphenelektrode kann die zweite Nicht-Graphen-Elektrode auch mit Kontakten, wie ohmschen Kontakten, bereitgestellt sein, um eine Verbindung mit einer elektronischen Schaltung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die zweite Elektrode durch ein Verfahren bereitgestellt, das kein Erwärmen eines Zwischenprodukts des elektrooptischen Modulators, der die erste Graphenelektrode umfasst, auf eine Temperatur von mehr als 500 °C beinhaltet, vorzugsweise durch ein Verfahren, das kein Erwärmen auf eine Temperatur von mehr als 400 °C beinhaltet, vorzugsweise nicht mehr als 300 °C, vorzugsweise nicht mehr als 200 °C, vorzugsweise nicht mehr als 100 °C und noch mehr bevorzugt im Wesentlichen ohne jegliche Erwärmung (d. h. keine spezifische Erwärmung des Zwischenprodukts, obwohl es sich versteht, dass die Temperatur während der Abscheidung der zweiten Elektrode je nach eingesetztem Verfahren schwanken kann). Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die zweite Elektrode nicht durch chemische Dampfabscheidungsverfahren (Chemical Vapour Deposition - CVD-Verfahren) bereitgestellt (oder ausgebildet oder abgeschieden) wird. Vorzugsweise wird die zweite Elektrode durch physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapor Deposition - PVD) bereitgestellt.
In einer Ausführungsform wird die zweite Nicht-Graphen-Elektrode auf der zweiten Isolierschicht über mindestens einen Abschnitt des ersten Abschnitts des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial bereitgestellt. Mit anderen Worten überlappt die zweite Elektrode mindestens den ersten Abschnitt, um sich über mindestens einen Teil des ersten Abschnitts zu erstrecken (wobei der erste Abschnitt vorzugsweise die gesamte Breite des Wellenleiterkanals ist, wie hierin beschrieben). Ebenso bevorzugt ist die zweite Elektrode über mindestens die gesamte Breite des Wellenleiterkanals angeordnet (wodurch sie über der Gesamtheit des ersten Abschnitts liegt). Die zweite Isolierschicht stellt eine im Wesentlichen flache Oberfläche bereit, auf der die zweite Elektrode bereitgestellt werden kann. Die zweite Elektrode ist über mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial und damit über den entsprechenden Abschnitt der Graphenelektrode bereitgestellt. Die zwei Elektroden bilden daher eine Kondensatortyp-Anordnung.
Wenn die zweite Elektrode über der Graphenschicht bereitgestellt ist, kann sich die Elektrode innerhalb des optischen Modus des Wellenleitermaterials befinden. In einem solchen Fall ist es besonders bevorzugt, dass die zweite Elektrode eine transparente Elektrode ist. Geeignete Materialien sind im Stand der Technik gut bekannt, von denen Indiumzinnoxid (ITO), Indium-Gallium-Zinkoxid (InGaZnO; auch als IGZO bekannt) und amorphes Silizium bevorzugt werden. Dementsprechend umfasst die zweite Elektrode vorzugsweise ITO, IGZO oder amorphes Silizium.
In einer anderen Ausführungsform wird die Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt, das den ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial mindestens teilweise unterschneidet. Mit anderen Worten unterschneidet die zweite Elektrode mindestens den ersten Abschnitt, um sich unter mindestens einem Teil des ersten Abschnitts zu erstrecken (wobei der erste Abschnitt vorzugsweise die gesamte Breite des Wellenleiterkanals ist, wie hierin beschrieben). Ebenso bevorzugt ist die zweite Elektrode unter mindestens der gesamten Breite des Wellenleiterkanals angeordnet (wodurch sie unter der Gesamtheit des ersten Abschnitts liegt). Vorzugsweise ist die zweite Elektrode innerhalb des Substrats mit dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial einstückig ausgebildet. Dementsprechend kann der erste Kanal aus Wellenleitermaterial in einigen Ausführungsformen selbst als eine zweite Elektrode wirken. Infolgedessen ist das Wellenleitermaterial elektrisch leitfähig. Vorzugsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit mindestens 10 ^-2 S/cm (Ω^{-1 cm-1}), vorzugsweise mindestens 10^-1 S/cm, mehr bevorzugt mindestens 10⁰ S/cm. Vorzugsweise umfasst die zweite Elektrode, wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, n-dotiertes Silizium. Vorzugsweise beträgt die Trägerkonzentration mindestens 10¹² cm^-3, vorzugsweise mindestens 10¹³ cm^-3. Typischerweise ist die Dotierung des Siliziums nicht größer als etwa 10¹⁹ cm ^-3. Ein N-dotiertes Silizium ist besonders bevorzugt als ein elektrisch leitfähiges Material, das als Wellenleitermaterial geeignet ist. Es versteht sich, dass die zweite Elektrode weitere Kanäle aus zum Beispiel n-dotiertem Silizium umfasst, die innerhalb des Substrats eingebettet sind und sich zu einer freiliegenden Oberfläche des Substrats zur Verbindung mit einer elektronischen Schaltung erstrecken. Solche eingebetteten Elektroden (einschließlich solcher, die einstückig mit dem Wellenleitermaterial ausgebildet sind) sind im Stand der Technik gut bekannt. In einigen Ausführungsformen ist das Wellenleitermaterial ein schwach n-dotiertes Silizium (z. B. mindestens 10¹² cm^-3 bis zu 10¹⁴ cm^-3) und der Verbindungskanal der zweiten Elektrode ein stark n-dotiertes Silizium (z. B. mindestens 10¹⁴ cm^-3 bis zu 10¹⁹ cm^-3 ) für eine verbesserte Leitung, ohne den Brechungsindex des Wellenleitermaterials zu bewirken.
Wie hierin beschrieben, ist es bevorzugt, dass der elektrooptische Modulator eine erste Isolierschicht umfasst, die ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid umfasst. Ferner umfasst die erste Isolierschicht vorzugsweise ferner eine Siliziumnitridschicht direkt auf der oberen Oberfläche des Substrats, wodurch die Isolierschicht das Oxid auf der Siliziumnitridschicht umfasst.
In einigen spezifischen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Wellenleitermaterial SiN_x umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst.
In einer anderen bevorzugten spezifischen Ausführungsform umfasst das Wellenleitermaterial unbeabsichtigt dotiertes Silizium, die zweite Elektrode ist auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt, und die zweite Elektrode umfasst ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium.
In einer weiteren bevorzugten spezifischen Ausführungsform ist die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt und die zweite Elektrode und das Wellenleitermaterial sind einstückig aus n-dotiertem Silizium ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrooptische Modulator ferner einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial parallel zu und ausgerichtet über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial. Die Ausrichtung des zweiten Kanals über den ersten Kanal ermöglicht eine Modulation von Licht durch die einzelne Graphenschicht. Vorzugsweise sind die Querschnittsabmessungen des zweiten Wellenleiters im Wesentlichen gleich dem ersten Wellenleiter.
Wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats eingebettet ist, wird der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial vorzugsweise auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt. Alternativ kann in Ausführungsformen, in denen die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist, der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial vorzugsweise an der zweiten Elektrode bereitgestellt sein. Es versteht sich, dass sich der zweite Kanal parallel zu dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial und über das „aktive Gebiet“ hinaus erstreckt, das die Graphen- und Nicht-Graphen-Elektroden umfasst. Dementsprechend wird der zweite Kanal auch auf der zweiten Isolierschicht in Abschnitten bereitgestellt, wobei der erste Kanal aus Wellenleitermaterial nicht direkt unter einer Graphenschicht und/oder insbesondere der zweiten Elektrode liegt.
Alternativ ist es auch bevorzugt, dass der elektrooptische Modulator ferner eine dritte Isolierschicht (wie ein hierin beschriebenes Oxid) umfasst, die auf der zweiten Isolierschicht und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird, wenn die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist. Vorzugsweise bestehen die zweite und dritte Isolierschicht aus dem gleichen Material. Der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial kann dann auf der dritten Isolierschicht und über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, dem ersten Abschnitt der Graphenschicht und der zweiten Elektrode bereitgestellt werden. Durch Einschließen einer dritten Isolierschicht über der Zwischenschicht vor dem Bilden des zweiten Wellenleiters kann ein einheitlicherer Wellenleiter als Ergebnis des Abscheidens des Kanals über eine Oberfläche aus einem einzigen Material der dritten Isolierschicht gebildet werden. Darüber hinaus wirkt die dritte Isolierschicht, um die zweite Elektrode während der Bildung des zweiten Wellenleiters zu schützen.
Wie hierin beschrieben, kann der EOM ferner Kontakte umfassen, um eine Verbindung der ersten und der zweiten Elektrode mit einer Schaltung zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Kontakte ohmsche Kontakte und sind jeweils in Kontakt mit der ersten oder zweiten Elektrode bereitgestellt. Dies kann durch Ätzen der geeigneten Isolierschicht erreicht werden, um die Elektrode freizulegen. In einigen Ausführungsformen können ein Abschnitt der geeigneten Isolierschicht und ein entsprechender Abschnitt der darunterliegenden Elektrode gleichzeitig geätzt werden, wodurch eine Kante der Elektrode freigelegt wird. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass ein ohmscher Kontakt in Kontakt mit einer Kante der Elektrode, vorzugsweise der Graphenschicht, bereitgestellt wird. Durch Bereitstellen eines ohmschen Kontakts an der Kante der Graphenschicht kann eine unbeabsichtigte Dotierung der Graphenschicht durch Minimieren der Kontaktfläche zwischen Graphen und dem ohmschen Kontakt vermieden werden. Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass die Ladungsinjektion im Vergleich zu ohmschen Kontakten, die auf einer Oberfläche von Graphen bereitgestellt werden, effizienter an der Graphenkante ist.
Ohmsche Kontakte werden typischerweise in einer Entfernung von dem Wellenleiter bereitgestellt, die ausreicht, um die Ausbreitung von Licht nicht zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen werden die Kontakte mindestens 300 nm von dem Wellenleiter entfernt bereitgestellt, vorzugsweise mindestens 500 nm. Vorzugsweise sind die ohmschen Kontakte Metallkontakte, vorzugsweise ausgewählt aus einem oder mehreren von Titan, Nickel, Chrom, Platin, Palladium und Aluminium. Besonders bevorzugte Kontakte sind Ti/Al und Ni/Al. Vorzugsweise umfassen die Kontakte kein Gold.
Es versteht sich, dass die Verfahren zum Bilden des Detektors und des Modulators sehr ähnlich sind. Dementsprechend gelten alle Merkmale, die in Bezug auf die Verfahren zum Bilden des Detektors beschrieben werden, gleichermaßen.
Dementsprechend wird in einem Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, wobei das Wellenleitermaterial SiN_x umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt und die zweite Elektrode umfasst ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal,
Füllen des ersten Kanals mit SiN_x und Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat durch Niederdruck-CVD;
mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.

Ein weiteres Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, wobei das Wellenleitermaterial unbeabsichtigt dotiertes Silizium umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst, umfasst:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal,
Füllen des ersten Kanals mit unbeabsichtigt dotiertem Silizium;
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD;
teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.

In noch einem weiteren Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, wobei die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist und die zweite Elektrode und das Wellenleitermaterial einstückig aus n-dotiertem Silizium ausgebildet sind, umfasst das Verfahren:

Bereitstellen eines Substrats mit einem darin eingebetteten n-dotierten Siliziumkanal, wenn der Kanal ferner die zweite Elektrode umfasst, die einstückig aus n-dotiertem Silizium gebildet ist, das sich durch das Substrat erstreckt,
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD;
teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden.

Somit umfasst ein Verfahren, das einen EOM bildet, das Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten Kanal. Dies kann zum Beispiel durch Laser-, Plasma- und/oder Reaktivionenätzen eines geeigneten Substrats (wie eines Siliziumdioxids auf Siliziumsubstrat) erreicht werden, um einen Kanal in die Oberfläche des Substrats zu ätzen. Solche Ätztechniken sind im Stand der Technik gut bekannt.
Die Verfahren umfassen ferner einen zweiten Schritt zum Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden.
Verschiedene Verfahren umfassen ferner das Bereitstellen der transparenten zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht, wobei die Elektrode ITO, IGZO oder amorphes Silizium umfasst. Eine solche Elektrode kann durch jede im Stand der Technik bekannte Technik gebildet werden. Solche Elektroden sind gut bekannte transparente Elektroden.
Während die elektrooptischen Modulatoren aus dem Stand der Technik, die Graphen umfassen, Graphen sowohl als erste als auch als zweite Elektrode nutzen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass unter den Bedingungen, die erforderlich sind, um Graphen durch CVD zu wachsen, durch Bereitstellen einer zweiten Graphenelektrode durch CVD, die erste Graphenschicht durch die isolierenden Oxidschichten unerwünscht dotiert wird und der Prozess die Gefahr der Beschädigung der EOM-Struktur birgt. Dennoch bietet die erste Graphenschicht, die durch CVD direkt auf die erste Isolierschicht gewachsen wurde, viele Vorteile gegenüber Graphen, das übertragen wurde. Ein solches Graphen ist in der Qualität geringer und kann aufgrund der unvermeidbaren Beschädigung und Dotierung, die während der Übertragungsprozesse auftritt, nicht die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Graphen liefern. In der Regel bleibt Graphen, das durch CVD auf Kupferfolie gewachsen wird, unbeabsichtigt und unvermeidlich mit Kupferatomen dotiert. Außerdem wird, um das Graphen aus der Kupferfolie zu entfernen, das Graphen verschiedenen Lösungsmitteln und Ätzlösungen ausgesetzt, wobei die Graphen- und Polymerbeschichtung, die zur Unterstützung von Graphen während des Prozesses verwendet werden, weiter kontaminiert wird, oft nie vollständig von der Graphenoberfläche entfernt wird. Schließlich führt die physische Übertragung von Graphen zu einer Rissbildung, Knitter und anderen Verformungen, die nicht vorhanden sind, wenn Graphen direkt auf das Substrat der Vorrichtung wächst. Dementsprechend haben die Erfinder versucht, die wünschenswerten elektronischen Eigenschaften der ersten Graphenschicht aufrechtzuerhalten, indem weitere Schritte vermieden werden, die andernfalls das Graphen unbeabsichtigt dotieren können. Infolgedessen wird die Leistung des graphenbasierten EOM verbessert.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner das Bilden von ohmschen Kontakten, um jede der ersten und der zweiten Elektrode (d. h. der Graphen- und der Nicht-Graphen-Elektroden) zu berühren. Solche Kontakte können durch e-Strahlabscheidung geeigneter Metalle wie Titan, Nickel und/oder Aluminium gebildet werden.
In einem anderen bevorzugten Verfahren wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, das einen darin eingebetteten n-dotierten Siliziumkanal aufweist und mit dem Wellenleiter einstückig ausgebildet ist, wodurch der Kanal aus Wellenleitermaterial als die zweite Elektrode arbeiten kann. Ein solcher eingebetteter Kanal ist im Stand der Technik gut bekannt und kann unter Verwendung von Standard-Photolithographietechniken hergestellt werden. Der Kanal ist vorzugsweise so bereitgestellt, dass er sich auf die obere Oberfläche des Substrats erstreckt, sodass eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat geätzt werden, um einen Abschnitt des Kanals freizulegen, und einen ohmschen Kontakt, der auf das n-dotierte Silizium abgeschieden ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Array von elektrooptischen Modulatoren bereit, wie hierin beschrieben sind und die ein gemeinsames Substrat teilen. Dementsprechend ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren die Herstellung einer Vielzahl von elektrooptischen Modulatoren in einem einzigen Prozess. Vorzugsweise ist das Array auf einem Substrat hergestellt, das einen Durchmesser von mindestens 5 cm (2 Zoll), mindestens 15 cm (6 Zoll) oder mindestens 30 cm (12 Zoll) aufweist. Ein solches Verfahren ermöglicht die Massenproduktion und Vertrieb von graphenbasierten elektrooptischen Modulatoren. Bisherige EOMs beruhen auf der Übertragung von Graphen, die nicht für eine Massenherstellung einer Vielzahl von Vorrichtungen über solche großen Substrate geeignet ist. Obschon Übertragungstechniken für die Herstellung im Wafer-Maßstab verwendet wurden, wie in ACS Nano 15, 3171-3187 (2021), ist ein komplexer mehrstufiger Übertragungsprozess erforderlich, um die Risiken, die mit der Graphenübertragung verbunden sind, in dem Bestreben zu minimieren, die Reproduzierbarkeit zu erreichen. Zusätzlich beinhaltet der Übertragungsprozess die Übertragung mehrerer Kacheln von etwa 2 x 2,5 cm, die einzelne Domänen von Graphenkristallen umfassen. Die vorliegende Vorrichtung stellt qualitativ hochwertiges Graphen direkt auf der Oberfläche des Vorrichtungssubstrats bereit, wodurch die Risiken vermieden werden, die mit Übertragungsprozessen verbunden sind und die dann leicht in eine gewünschte Form geätzt werden können. Dementsprechend ermöglicht ein solches Verfahren die reproduzierbare Fertigung einer Vielzahl von EOMs mit einheitlicher elektronischer Leistung.
Hierin wird zur Verwendung in dem System der Erfindung ein elektrooptischer Modulator beschrieben, der umfasst:

ein Substrat, das eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellt;
eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche;
eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht angeordnet ist;
eine zweite Isolierschicht, die auf und über der Graphenschicht bereitgestellt ist; und
einen ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, der auf der zweiten Isolierschicht und über mindestens einen ersten Abschnitt der Graphenschicht angeordnet ist;
wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine, vorzugsweise nicht aus Graphen, zweite Elektrode entweder:
- (i) das Substrat ist oder
- (ii) innerhalb des Substrats unter mindestens dem ersten Abschnitt der Graphenschicht bereitgestellt wird.

Ein solcher elektrooptischer Modulator kann äquivalent zu dem elektrooptischen Modulator betrachtet werden, wobei ein zweites Wellenleitermaterial über der Graphenschicht (und dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial) angeordnet ist, mit der Ausnahme, dass der eingebettete Wellenleiter im EOM nicht vorhanden ist. Infolgedessen kann die zweite Nicht-Graphen-Elektrode einfach das Substrat selbst sein oder kann in einer äquivalenten Weise, wie hierin mit Bezug auf den EOM des ersten Gesichtspunkts beschrieben, innerhalb des Substrats eingebettet sein. Es versteht sich, dass es nicht maßgeblich ist, dass die eingebettete Elektrode aus einem geeigneten Wellenleitermaterial gebildet ist und/oder innerhalb einer geeigneten Ummantelung eingebettet ist, um als Wellenleiter zu wirken.
Vorzugsweise ist die zweite Nicht-Graphen-Elektrode aus Silizium, das entweder (i) durch ein Siliziumsubstrat oder (ii) durch einen Abschnitt von Silizium innerhalb eines Substrats bereitgestellt wird. Es versteht sich, dass das Substrat eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Elektrode, wenn sie innerhalb des Substrats bereitgestellt wird. Vorzugsweise ist, wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, das Silizium n-dotiertes Silizium innerhalb eines Siliziumdioxid- oder Siliziumsubstrats, oder das Silizium ist ein unbeabsichtigt dotiertes Silizium innerhalb eines Siliziumdioxidsubstrats.
Figuren
Die vorliegende Erfindung wird nun ferner in Bezug auf die folgende nicht einschränkende Figur weiter beschrieben, in denen gilt:

1A ist eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
1B ist eine perspektivische Ansicht eines äquivalenten elektrooptischen Modulators.
2 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
4 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
5 ist ein Querschnittsansicht eines Fotodetektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Draufsicht auf ein System gemäß der vorliegenden Erfindung.

1A ist eine Querschnittsansicht eines EOM 100 senkrecht zur Richtung des Lichtwegs, wenn der EOM 100 in Gebrauch ist. Der Modulator 100 umfasst ein Substrat 105 mit einem darin eingebetteten Kanal aus Wellenleitermaterial 110, sodass der Kanal aus Wellenleitermaterial 110 und das Substrat 105 zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen, auf der eine erste Isolierschicht (115a und 115b) bereitgestellt ist. Der Kanal aus Wellenleitermaterial ist unbeabsichtigt dotiertes Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹² cm ^-3. Der Wellenleiter 110 ist im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Lichtwegs und weist eine Querschnittsbreite von etwa 1200 nm und eine Höhe von etwa 250 nm auf.
Die erste Isolierschicht besteht aus einer unteren Schicht 115a und einer oberen Schicht 115b, wobei die untere Schicht 115a direkt auf der oberen Oberfläche ist, die durch das Substrat 105 und den Wellenleiter 110 bereitgestellt wird. Die untere Schicht 115a ist aus Siliziumnitrid gebildet und weist eine Dicke von etwa 15 nm auf. Die erste Isolierschicht umfasst eine obere Schicht 115b aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von etwa 10 nm.
Der Modulator 100 umfasst ferner eine Monoschicht aus Graphen 120, die auf der ersten Isolierschicht (115a und 115b) angeordnet ist, und insbesondere auf der oberen Aluminiumoxidschicht 115b und über die gesamte Breite des Kanals aus Wellenleitermaterial 110. Die Monoschicht aus Graphen 120, die über die gesamte obere Aluminiumoxidschicht 115b durch CVD bei einer Temperatur über 900 °C gebildet wurde, wobei das Graphen durch Laserätzen strukturiert wird, um einen Abschnitt zu belassen, der sich über den Wellenleiter 110 erstreckt. Die Dicke der Siliziumnitrid- und Aluminiumoxidschichten 115a und 115b ist wie zwischen dem Wellenleiter 110 und der Graphen-Monoschicht 120 gemessen.
Der Modulator 100 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht 115c, die aus Aluminiumoxid gebildet ist, das auf und über der Graphen-Monoschicht 120 bereitgestellt ist. Dementsprechend ist in den Gebieten, in denen das Graphen geätzt und entfernt wurde (wie Gebieten, die nicht über dem Wellenleiter 110 liegen), das Aluminiumoxid der zweiten Isolierschicht 115c auch auf der oberen Schicht 115b der ersten Isolierschicht (115a und 115b) ausgebildet, die selbst auch aus Aluminiumoxid ausgebildet ist.
Die Graphen-Monoschicht 120 stellt eine erste Elektrode des EOM 100 bereit und eine zweite Nicht-Graphen-Elektrode 125 aus Indium-Zinnoxid (ITO) wird auf der zweiten Isolierschicht 115c bereitgestellt und überlappt den gesamten Abschnitt der Graphen-Monoschicht 120, die über dem Wellenleiter 110 angeordnet ist. Dementsprechend erstreckt sich die ITO-Elektrode 125 auch über die gesamte Breite des Wellenleiters 110.
1B stellt eine perspektivische Ansicht eines äquivalenten elektrooptischen Modulators 100 bereit. Das Substrat 105 des Modulators 100 ist aus einer oberen Schicht 105a und einer unteren Schicht 105b gebildet. Die obere Schicht 105a kann im Stand der Technik als Ummantelung bezeichnet werden und ist aus Siliziumdioxid gebildet. Der Wellenleiter 110 ist innerhalb der Siliziumdioxidoberschicht 105a eingebettet. Das Substrat 105 umfasst ferner eine untere Schicht 105b aus Silizium.
2 stellt eine Querschnittsansicht eines anderen elektrooptischen Modulators 200 bereit, der ein Siliziumdioxid-Substrat 205 mit einem darin eingebetteten Kanal des darin als Wellenleiter eingebetteten Siliziumnitrids 210 umfasst, dessen Höhe etwa 300 nm und Breite etwa 700 nm beträgt. Der Modulator 200 umfasst eine erste Isolierschicht (215a und 215b), die aus einer unteren Schicht aus Siliziumnitrid 215a gebildet ist, die durch LPCVD in demselben Schritt wie der Siliziumnitridwellenleiter 210 gebildet wurde. Die Höhe des Wellenleiters 210 wird in der Ebene gemessen, die die flache obere Oberfläche enthält, die durch die im Wesentlichen flache Grenze zwischen dem Substrat 205 und der unteren Siliziumnitridschicht 215a definiert ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass Siliziumnitrid ein besonders wirksames Wellenleitermaterial für elektrooptische Modulatoren ist und ferner die untere Schicht aus Siliziumnitrid 215a konformes Wachstum der Oxidoberschicht 215b ermöglicht. Die erste Isolierschicht (215a und 215b) stellt eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche von Hafniumoxid 215b bereit, auf der hocheinheitliches Graphen durch CVD gewachsen werden kann, einschließlich dotiertem Graphen, das den Modulator 200 mit verbesserter Leistung gegenüber bekannten Vorrichtungen bereitstellt. Dementsprechend umfasst der Modulator 200 nach dem Strukturieren eine dotierte Graphen-Monoschicht 220, die sich mindestens über die gesamte Breite des Wellenleiters 210 erstreckt. Dies stellt das Erreichen einer optimalen Modulation sicher.
Der Modulator 200 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht, die wiederum aus dem gleichen Material wie das der oberen Schicht 215b der ersten Isolierschicht (215a und 215b) gebildet sein kann, obwohl jedes geeignete Material, wie hierin beschrieben, verwendet werden kann. Die zweite Isolierschicht 215c wird daher aus Hafniumdioxid gebildet, auf dem eine transparente Nicht-Graphen-Elektrode 225 bereitgestellt wird. Die Elektrode 225 kann aus IGZO gebildet sein und erstreckt sich mindestens teilweise über einen Abschnitt der Graphenschicht 220, der sich über den Wellenleiterkanal 210 erstreckt.
3 stellt eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators bereit, der einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial 335 umfasst. Wie bei den Modulatoren 100 und 200 umfasst der Modulator 300 ein Substrat 305, das wiederum vorzugsweise aus Siliziumdioxid mit einem darin eingebetteten Siliziumnitridwellenleiter 310 gebildet ist, obwohl jede andere geeignete Kombination von Substraten und Wellenleitern wie im Stand der Technik bekannt verwendet werden kann. Der Wellenleiter 310 kann eine Höhe von etwa 600 nm und eine Breite von etwa 800 nm aufweisen.
Der Modulator 300 umfasst eine erste Isolierschicht 315b, die aus Aluminiummagnesiumoxid gebildet ist, auf dem eine Graphenschicht 320 bereitgestellt wird, die aus zwei Graphen-Monoschichten besteht. Es versteht sich, dass eine Graphen-Monoschicht auch bevorzugt sein kann. Die Graphenschicht 320 erstreckt sich mindestens über die gesamte Breite des Wellenleiterkanals 310, auf dem eine zweite Isolierschicht 315c aus weiterem Aluminiummagnesiumoxid gebildet wird. Eine zweite Elektrode 325 ist auf der zweiten Isolierschicht 315c ausgebildet und aus amorphem Silizium gebildet, um sich auch über die gesamte Breite des Wellenleiters 310 und damit den äquivalenten Abschnitt der Graphenschicht 310, die sich über den Wellenleiter 310 erstreckt, zu erstrecken und zu überlappen. Der zweite Kanal aus Wellenleitermaterial 335 ist auf einer dritten Isolierschicht 315d bereitgestellt, die aus Aluminiummagnesiumoxid gebildet ist und im Wesentlichen parallel zu dem ersten eingebetteten Kanal aus Wellenleitermaterial 310 bereitgestellt ist. Dementsprechend unterschneiden die erste und die zweite Elektrode (320 und 325) den zweiten Wellenleiter 335 gleichermaßen und erstrecken sich über seine gesamte Breite.
Der Modulator 300 umfasst ferner ohmsche Kontakte (330a und 330b) in direktem Kontakt mit der ersten und der zweiten Elektrode (320 und 325). Insbesondere ist ein ohmscher Titan/Aluminium-Kontakt 330a auf der Oberfläche der Graphenschicht 320 über 800 nm horizontal von den Wellenleitern (310 und 335) bereitgestellt. In ähnlicher Weise ist ein Titan/Aluminium-Kontakt 330b auf der Oberfläche des amorphen Siliziumkontakts 325 mit einer ähnlichen Entfernung von den Wellenleitern (310 und 335) bereitgestellt.
4 ist eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators 400, der ein Substrat 205 und einen Kanal aus Wellenleitermaterial 410 umfasst, das aus moderat n-dotiertem Silizium gebildet ist (mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ cm³). Das Substrat 405 ist ferner mit einem Kanal aus stark n-dotiertem Silizium 425 in Kontakt und einstückig mit dem Wellenleiter 410 ausgebildet. Zusammen stellen der Kanal 425 und der Wellenleiter 410 die zweite Elektrode des EOM 400 bereit, wodurch die Graphen-Monoschicht 420, die sich über die gesamte Breite des Wellenleiters erstreckt, notwendigerweise unterschnitten wird. Die Dotierstoffkonzentration des Kanals 425 beträgt etwa 10¹⁸ cm^-3 und ermöglicht es dem Wellenleiter 410, als die zweite Nicht-Graphen-Elektrode aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von n-dotiertem Silizium zu arbeiten.
Der Modulator 400 umfasst ferner eine erste Isolierschicht (415a und 415b), die aus einer unteren Schicht aus Siliziumnitrid 415a und einer oberen Schicht gebildet ist, die aus Aluminiumoxid fast genauso wie Modulator 100 gebildet ist. In ähnlicher Weise umfasst der Modulator 400 ferner eine Graphen-Monoschicht 420 auf der Aluminiumoxidoberschicht 415a der ersten Isolierschicht und eine zweite Schutzaluminiumoxid-Isolierschicht 415c ist auf und über der Graphenschicht 420 bereitgestellt.
Die erste und die zweite Isolierschicht (415a, 415b und 415c) wurden geätzt, um den Kanal des n-dotierten Siliziums 425 an der Oberfläche des Substrats 405 freizulegen. In ähnlicher Weise wurde die zweite Isolierschicht zusammen mit einem Abschnitt der darunterliegenden Graphenschicht 420 geätzt, um den Rand der Graphenschicht 420 freizulegen. Die freiliegenden Abschnitte der Graphenelektrode 420 und des n-dotierten Siliziumkanals 425 werden selbst von einem ohmschen Nickel/Aluminium-Kontakt (430a bzw. 430b) berührt. Infolgedessen bleibt die Graphenschicht 420 im Wesentlichen eingekapselt und vor atmosphärischer Kontamination geschützt, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert wird, da während des Gebrauchs atmosphärische Verunreinigungen daran gehindert werden, das Graphen unerwünscht zu dotieren.
Die Modulatoren 100, 200 und 300 sind besonders bevorzugt, da sie leicht auf einem gemeinsamen Substrat mit einem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden können, wobei weitere äquivalente Schichten jeder Vorrichtung in demselben Schritt einstückig ausgebildet werden. Die Graphenschicht kann zum Beispiel angemessen strukturiert sein, um einen Detektorabschnitt und einen Modulator-Abschnitt der Graphenschicht bereitzustellen. Schichten wie die erste Isolierschicht können kontinuierlich sein und sich über das gemeinsame Substrat zwischen dem Detektor und dem Modulator erstrecken.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Fotodetektors 500, der ein Siliziumdioxid-Substrat 505 und einen Kanal aus Wellenleitermaterial 510 umfasst, der aus darin eingebettetem Siliziumnitrid gebildet ist. Der Fotodetektor 500 umfasst ferner eine Schicht aus Siliziumnitrid 515a, die während der Abscheidung von Siliziumnitrid durch LPCVD gebildet wird, um den Wellenleiter 510 zu bilden. Die Siliziumnitridschicht 515a stellt vorteilhafterweise eine im Wesentlichen flache Wachstumsoberfläche bereit, auf die eine Aluminiumoxidschicht 515b abgeschieden werden kann, wie durch ALD.
Die erste Isolierschicht, die aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid (515a und 515b) gebildet ist, stellt eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche aus Aluminiumoxid 515b bereit, auf der hocheinheitliches Graphen durch CVD wachsen kann, was den Fotodetektor 500 mit verbesserter Leistung gegenüber bekannten Vorrichtungen bereitstellt. Dementsprechend umfasst der Fotodetektor 500 nach dem Strukturieren eine Graphen-Monoschicht 520, die sich auf und über die gesamte Breite des Wellenleiters 510 erstreckt, sodass zwei ohmsche Kontakte (530a, 530b), die aus Ti/Al gebildet sind, an ihrer Kante auf die Graphenschicht abgeschieden werden können, und wobei die Trennung des ersten Kontakts 530a von dem Wellenleiter 510 (wie in der Ebene des Substrats gemessen, die der Ebene der Graphenschicht entspricht) mindestens 1,5 Mal größer ist als die des zweiten Kontakts 530b.
Der Fotodetektor 500 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht 515c, die wiederum aus dem gleichen Material wie das der oberen Schicht 515b der ersten Isolierschicht (515a und 515b) gebildet sein kann, obwohl jedes geeignete Material, wie hierin beschrieben, verwendet werden kann. Die zweite Isolierschicht 515c ist daher aus Aluminiumoxid gebildet und schützt das Graphen vor atmosphärischer Kontamination, indem die zweite Schicht 515c die obere Oberfläche der strukturierten Graphenschicht 520 zusammen mit den ohmschen Kontakten (530a, 530b) vollständig einkapselt.
6 veranschaulicht eine Draufsicht eines Systems 600, das eine Vielzahl von elektrooptischen Modulatoren (610a, 610b) und eine Vielzahl von Fotodetektoren (615a, 615b) umfasst, wobei das System für die optische Übertragung von Daten geeignet ist. Die Detektoren und Modulatoren sind einstückig auf einem gemeinsamen Substrat 625 ausgebildet, das einen darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial 620 aufweist. Das Substrat 625 umfasst eine obere Schicht aus Siliziumdioxid-Ummantelung und eine untere Trägerschicht aus Silizium. Ebenso kann das Substrat ein CMOS-Wafer/Substrat mit zusätzlich assoziierter Schaltlogik sein.
Das System umfasst einen Eingangskoppler 605, der eine Lichtquelle bereitstellt, die konfiguriert ist, um Licht entlang des Wellenleiters 620 zu leiten. Der erste Kanal aus Wellenleitermaterial teilt sich auf, um zwei parallele und äquivalente erste Kanäle aus Wellenleitermaterial bereitzustellen, auf denen eine Vielzahl von Modulatoren (610a, 610b) und Detektoren (615a, 615b) gebildet werden. Entlang des ersten Zweigs des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial 620 umfasst das System einen ersten elektrooptischen Modulator 610a, der zwischen dem Eingangskoppler 605 und dem ersten Fotodetektor 615a angeordnet ist. Entlang eines zweiten Zweigs des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial 620 umfasst das System einen zweiten elektrooptischen Modulator 610b, der zwischen dem Eingangskoppler 605 und dem zweiten Fotodetektor 615b angeordnet ist. Die zwei Zweige des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial sind angeordnet, um sich innerhalb des Substrats 625 und nach jedem Fotodetektor (615a, 615b) neu zu kombinieren, wobei das System ferner einen Ausgangskoppler 630 umfasst.
Wie hierin verwendet, schließt die Singularform von „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ Verweise auf den Plural mit ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes gebietet. Die Verwendung des Begriffs „umfassend“ ist so auszulegen, dass er solche Merkmale umfasst, aber andere Merkmale nicht ausschließt, und er soll auch die Option einschließen, dass die Merkmale notwendigerweise auf die beschriebenen beschränkt werden. Mit anderen Worten beinhaltet der Begriff auch die Einschränkungen „im Wesentlichen bestehend aus“ (gemeint ist, dass bestimmte weitere Komponenten vorhanden sein können, sofern sie die wesentliche Eigenschaft des beschriebenen Merkmals nicht erheblich beeinträchtigen) und „bestehend aus“ (gemeint ist, dass kein weiteres Merkmal eingeschlossen werden darf, so dass, wenn die Komponenten als Prozentsätze nach ihren Anteilen ausgedrückt würden, diese sich auf 100 % summieren würden, unter Berücksichtigung unvermeidbarer Verunreinigungen), es sei denn, der Kontext schreibt eindeutig etwas anderes vor.
Es versteht sich, dass die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“ usw. in diesem Schriftstück unter Umständen dazu verwendet werden, verschiedene Elemente, Schichten und/oder Anteile zu beschreiben, wobei die Elemente, Schichten und/oder Anteile aber durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element, eine Schicht oder einen Anteil von einem anderen oder einem weiteren Element, einer weiteren Schicht oder einem weiteren Anteil zu unterscheiden. Es versteht sich, dass der Begriff „auf“ „direkt auf“ derart bedeuten soll, dass keine dazwischenliegenden Schichten zwischen einem Material vorhanden sind, das als „auf“ einem anderen Material befindlich bezeichnet werden kann. Räumlich relative Begriffe wie „unterer/e/s“, „unten“, „unterhalb“, „niedriger/e/s“, „über“, „oben“, „oberhalb“, „höherer/e/s“ und dergleichen können hier zur einfacheren Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder (einem) anderen Merkmal(en) zu beschreiben. Es versteht sich, dass die raumbezogenen Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb einschließen sollen. Wenn zum Beispiel ein hierin beschriebenes Substrat oder Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, wären Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben werden, „über“ oder „oberhalb“ der anderen Elemente oder Merkmale orientiert. Somit kann der beispielhafte Begriff „unten“ sowohl eine Orientierung von oben als auch von unten umschließen. Das EOM kann anderweitig orientiert sein und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können entsprechend interpretiert werden.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient der Erläuterung und Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Viele Variationen der hierin veranschaulichten gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein und bleiben innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/056551 A1 [0004]
WO 2016/073995 A1 [0005]
EP 2584397 A1 [0008]
US 10775651 B2 [0009]
WO 2014/089454 A2 [0014]
US 2014103213 A1 [0015]
US 2013026442 A1 [0016]
US 2020124795 A1 [0017]
WO 2017/029470 [0041, 0042, 0061, 0065, 0066, 0110, 0111]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Nature 474(7349), 64-67 (2011) „A graphene-based broadband optical modulator" [0004]
Nat. Photon. 9(8), 511-514 (2015) 30 „GHz Zeno-based Graphene Electro-optic Modulator“ und Nanophotonics 10(1), 99-104 (2021) „Highperformance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature“ Graphen-EOMs [0005]
ACS Nano 15, 3171-3187 (2021) „Wafer-Scale Integration of Graphene-Based Photonic Devices" [0006]
ACS Nano 15, 3171-3187 (2021) [0139]

Claims

Fotodetektor, umfassend: ein Substrat mit einem darin eingebetteten ersten Kanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen; eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche; eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und mindestens zwei ohmsche Kontakte, die jeweils in Kontakt mit der Graphenschicht bereitgestellt und auf beiden Seiten des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet sind; wobei die erste Isolierschicht Siliziumnitrid und/oder ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium umfasst.
Fotodetektor nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Kontakte asymmetrisch sind.
Fotodetektor nach Anspruch 2, wobei die mindestens zwei Kontakte aus unterschiedlichen Metallen gebildet sind.
Fotodetektor nach Anspruch 2, wobei ein erster und zweiter der mindestens zwei ohmschen Kontakte unterschiedliche Abstände in der Ebene des Substrats von dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial aufweisen.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Substrat eine obere Schicht aus Siliziumdioxid auf einer unteren Schicht aus Silizium umfasst und der erste Kanal aus Wellenleitermaterial in die obere Schicht aus Siliziumdioxid eingebettet ist.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Wellenleitermaterial SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium ist.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Graphen eine optional dotierte, einschichtige Graphenfolie ist.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die erste Isolierschicht eine Siliziumnitridschicht auf der oberen Oberfläche umfasst.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend eine zweite Isolierschicht auf und über die Graphenschicht.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die erste und/oder zweite Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid, umfasst.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die erste Isolierschicht eine Siliziumnitridschicht direkt auf der oberen Oberfläche und ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid, auf der Siliziumnitridschicht umfasst.
Fotodetektor nach einem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial parallel zu und ausgerichtet über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial und bereitgestellt: (i) auf der Graphenschicht; oder (ii) auf der zweiten Isolierschicht.
Verfahren zum Bilden eines Fotodetektors, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal; Füllen des ersten Kanals mit SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertem Silizium; Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD; mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um eine erste Isolierschicht zu bilden; Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD; Strukturieren der Graphen-Monoschicht; und Bilden von mindestens zwei ohmschen Kontakten, die jeweils mit der strukturierten Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren ferner umfasst: Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf oder über die Graphen-Monoschicht, um eine zweite Isolierschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei der Schritt des Abscheidens eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium zum Bilden der ersten und/oder zweiten Isolierschicht durch ALD, e-Strahl, PECVD oder PEALD, vorzugsweise ALD, erfolgt.
Schaltung, umfassend den Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Anordnung, umfassend eine Vielzahl von Fotodetektoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
System zur optischen Übertragung von Daten, wobei das System umfasst: einen Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder erhalten durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15; einen elektrooptischen Modulator und eine Lichtquelle, wobei: (i) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einen gemeinsamen Wellenleiter teilen und wobei die Lichtquelle konfiguriert ist, um Licht entlang des Wellenleiters zu leiten, und/oder (ii) der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator sich ein gemeinsames Substrat teilen.
System nach Anspruch 18, wobei der elektrooptische Modulator umfasst: ein Modulatorsubstrat mit einem darin eingebetteten ersten Modulatorkanal aus Wellenleitermaterial, wobei das Modulatorsubstrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Modulatoroberfläche bereitstellen; eine erste Modulator-Isolierschicht auf und über die obere Modulatoroberfläche; eine Modulator-Graphenschicht, die auf der ersten Modulator-Isolierschicht und über mindestens einem ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial angeordnet ist; und eine zweite Modulator-Isolierschicht, die auf und über der Modulator-Graphenschicht bereitgestellt ist; wobei die Modulator-Graphenschicht eine erste Modulator-Elektrode bereitstellt und wobei eine, vorzugsweise nicht aus Graphen, zweite Modulator-Elektrode entweder: (i) auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, die mindestens den ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial überlappt, oder (ii) innerhalb des Modulator-Substrats bereitgestellt ist, das den ersten Modulatorabschnitt des ersten Modulatorkanals aus Wellenleitermaterial mindestens teilweise unterschneidet.
System nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei der Fotodetektor und der elektrooptische Modulator einstückig ausgebildet sind und ein gemeinsames Substrat teilen und vorzugsweise wobei der erste Kanal aus Wellenleitermaterial mit dem ersten Modulatorkanal aus Wellenleitermaterial kontinuierlich ist.
Verfahren zum Bilden eines Systems für die optische Übertragung von Daten, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einem darin geätzten ersten Kanal; Füllen des ersten Kanals mit SiN_x oder unbeabsichtigt dotiertem Silizium; Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal durch Niederdruck-CVD; mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um eine erste Isolierschicht zu bilden; Bilden einer Graphenschicht über der ersten Isolierschicht durch CVD; Strukturieren der Graphenschicht, um einen Detektorabschnitt und einen separaten Modulatorabschnitt zu bilden, die jeweils über dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial angeordnet sind; Bilden von mindestens zwei ohmschen Detektorkontakten, die mit dem Detektorabschnitt der Graphen-Monoschicht in Kontakt stehen und auf beiden Seiten des ersten Kanals angeordnet sind, um den Fotodetektor zu bilden; Bilden mindestens eines ohmschen Modulatorkontakts, der in Kontakt mit dem Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht steht; Abscheiden eines Oxids auf eines oder mehrere von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf und über mindestens den Modulatorabschnitt der Graphen-Monoschicht, um mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht zu bilden; und Bereitstellen einer, vorzugsweise nicht aus Graphen, Elektrode auf der zweiten Modulator-Isolierschicht, um den elektrooptischen Modulator zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt, der mindestens die zweite Modulator-Isolierschicht bildet, ferner das Bilden einer zweiten Detektor-Isolierschicht auf und über den Detektorabschnitt der Graphen-Monoschicht umfasst.